Χρησιμοποιώντας μια νέα συνταγή για την ανάπτυξη αιμοφόρων αγγείων από ζωντανό πνευμονικό ιστό στο εργαστήριο, μια ερευνητική ομάδα της Σχολής Μηχανικών και Εφαρμοσμένων Επιστημών του Πανεπιστημίου της Βιρτζίνια ανέπτυξε ένα αναλυτικό εργαλείο που θα μπορούσε να οδηγήσει σε θεραπεία για την ιδιοπαθή πνευμονική ίνωση ή IPF, μια ασθένεια που καταστρέφει τους πνεύμονες. Η ίνωση είναι χρόνια ουλή του ιστού και μπορεί να χτυπήσει σχεδόν κάθε σύστημα στο σώμα. Σύμφωνα με τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας, η κυβέρνηση εκτιμά ότι το 45% των θανάτων στις Ηνωμένες Πολιτείες μπορεί να αποδοθεί σε ινωτικές διαταραχές.
Στους πνεύμονες, η ίνωση περιορίζει την αναπνοή, επομένως η κατανόηση του τρόπου εμφάνισης των ουλών και, εν τέλει, του τρόπου διακοπής της, είναι βασικά ερωτήματα – ειδικά στην περίπτωση της IPF, μιας μορφής πνευμονικής ίνωσης χωρίς γνωστή αιτία. Αναζητώντας απαντήσεις, ο επίκουρος καθηγητής χημικής μηχανικής Lakeshia J. Taite ηγείται μιας ομάδας σε συνεργασία με τον Shayn M. Peirce-Cottler και τη βιοϊατρική μηχανική Ph.D. φοιτήτρια Julie Leonard-Duke στο εργαστήριο του Peirce-Cottler. Ο Peirce-Cottler είναι ο πρόεδρος της βιοϊατρικής μηχανικής και ο Harrison Distinguished Teaching Professor.
Η δουλειά τους συνδυάζει υπολογιστικά μοντέλα για το πώς συμπεριφέρονται τα αιμοφόρα αγγεία στον ινώδη πνεύμονα που αναπτύχθηκε από τον Leonard-Duke στο εργαστήριο του Peirce-Cottler με πειράματα που χρησιμοποιούν υδρογέλες που κατασκευάστηκαν στο εργαστήριο του Taite. Το αποτέλεσμα είναι μια νέα ερευνητική πλατφόρμα για τη μελέτη του σχηματισμού αιμοφόρων αγγείων – μια διαδικασία που ονομάζεται αγγειογένεση. Οι Taite και Pierce-Cottler θέλουν να κατανοήσουν τον ρόλο της αγγειογένεσης – ένα φυσικό μέρος της επιδιόρθωσης των ιστών μετά από τραυματισμό – όταν οι πνεύμονες δεν θα σταματήσουν να προσπαθούν να επουλωθούν, καθιστώντας τον εύκαμπτο ιστό άκαμπτο και ινώδη μέχρι να πάψουν να λειτουργούν.
Η έρευνα δημοσιεύτηκε στο Microcirculation, του οποίου οι εκδότες επέλεξαν μια φιγούρα από την εφημερίδα για να εμφανιστεί στο εξώφυλλο του τεύχους Αυγούστου 2023. Η εικόνα δείχνει αγγειακή βλάστηση από πνευμονικό ιστό ποντικού φυτεμένο σε υδρογέλη, ένα διογκωμένο με νερό βιοϋλικό που μοιάζει με μαλακό φακό επαφής. Το εργαστήριο του Taite ενεργοποιεί αυτές τις υδρογέλες με βιοενεργά μόρια που μιμούνται στενά τα αγγειογενετικά σήματα που ενθαρρύνουν την ανάπτυξη των αιμοφόρων αγγείων.
Για να επιτύχει αυτή τη λειτουργικότητα, η ομάδα του Taite συνδυάζει χημικά συγκεκριμένα πεπτίδια -σειρές αμινοξέων, τα δομικά στοιχεία των πρωτεϊνών- με παράγωγα πολυαιθυλενογλυκόλης, ένα κοινό κρυσταλλικό πολυμερές, για να σχηματίσει ένα συζυγές PEG-πεπτίδιο. Τα πεπτίδια είτε αγοράζονται είτε κατασκευάζονται χρησιμοποιώντας έναν προγραμματιζόμενο συνθεσάιζερ. Αυτή η διαδικασία πολλαπλών βημάτων παράγει μια αφράτη λευκή σκόνη παρόμοια με το μείγμα ζελατίνης που αγοράζεται στο κατάστημα. Διαλυμένα σε διάλυμα με βάση το νερό και εκτεθειμένα στο υπεριώδες φως, τα μόρια διασυνδέονται για να σχηματίσουν ένα μαλακό αλλά στερεό υλικό με το οποίο μπορούν να αλληλεπιδράσουν τα κύτταρα του πνεύμονα ποντικού που φυτεύονται στην επιφάνεια, προκαλώντας την ανάπτυξη νέων κυττάρων.
“Η υδρογέλη σχεδιάστηκε για να έχει μηχανικές ιδιότητες – για παράδειγμα, ακαμψία και ελαστικότητα – που ταιριάζουν με τον υγιή πνευμονικό ιστό”, είπε ο Taite. «Η υδρογέλη δρα ως η φυσική εξωκυτταρική μήτρα των αγγειακών κυττάρων, το σύνθετο μείγμα πρωτεϊνών, υδατανθράκων και μετάλλων που παρέχουν σημαντικές ενδείξεις για την ανάπτυξη και τη συντήρηση των ιστών». Ο γενικός στόχος του έργου είναι η κατανόηση των εμβιομηχανικών και βιοχημικών ενδείξεων στα αιμοφόρα αγγεία στους πνεύμονες κατά την ανάπτυξη και εξέλιξη της ίνωσης. Η ομάδα κατασκευάζει εργαστηριακά συστήματα μοντελοποίησης για να επιταχύνει την αναζήτηση θεραπειών για να σταματήσει η IPF στα ίχνη της.
“Αυτό το έργο αντιπροσωπεύει μια νέα ανάλυση αγγειογένεσης που επιτρέπει τη διερεύνηση της ακαμψίας της μήτρας στη μικροαγγειακή βλάστηση”, είπε ο Taite. Ο Taite ξεκίνησε την έρευνα αμέσως μετά την άφιξή της στο UVA το 2021, χρησιμοποιώντας τις πειραματικές τεχνικές της με τα μοντέλα υπολογιστών του Leonard-Duke για να επικυρώσει και να βελτιώσει τα μοντέλα, τα οποία με τη σειρά τους ενημερώνουν τα πειράματα του Taite. “Ενσωματώνουμε δεδομένα από αυτή τη δοκιμασία βλάστησης στα μοντέλα υπολογιστών μας που προσομοιώνουν τις πολύπλοκες κυτταρικές συμπεριφορές που συμβάλλουν στην πνευμονική ίνωση”, δήλωσε ο Leonard-Duke.