CHAPEL HILL, Karolina Północna – Nasze ciała składają się z 60 000 mil skomplikowanych rur, które odgrywają istotną rolę w transporcie składników odżywczych w całym ciele, usuwaniu odpadów i dostarczaniu do naszych organów świeżego tlenu i krwi.

Malformacje naczyniowe (VM) to grupa rzadkich zaburzeń genetycznych, które powodują nieprawidłowe tworzenie się żył, tętnic, naczyń włosowatych lub naczyń limfatycznych po urodzeniu. Maszyny wirtualne mogą zakłócać pracę naszych cennych rur, powodując zatory, słaby drenaż oraz powstawanie cyst i splątań.

Aby odpowiedzieć na potrzebę dalszych badań, dr William Polacheck, adiunkt we Wspólnym Wydziale Inżynierii Biomedycznej UNC-NCSU i Wydziale Biologii i Fizjologii Komórki oraz jego zespół działający w Szkole Medycznej UNC opracowali model który naśladuje maszyny wirtualne, które są konkretnie spowodowane mutacją PIK3CA — gen, który jest zaangażowany w wiele rodzajów malformacji limfatycznych, kapilarnych i żylnych.

Ich praca została opublikowana w Postępy naukimultidyscyplinarne czasopismo o otwartym dostępie wydawane przez American Association for the Advancement of Science.

„Istnieje wiele „problemów z kurami i jajkami”. PIK3CA mutacja” – powiedział Polacheck. „Czy to powoduje, że coś innego idzie nie tak? A może jest coś innego w środowisku, co powoduje, że mutacja ma poważniejsze skutki? Praca w znacznie bardziej kontrolowanym środowisku, takim jak model mikroprzepływowy, pozwala nam wyizolować i dowiedzieć się, w jaki sposób genetyka choroby odnosi się do tego, co dzieje się w komórkach”.

VM są spowodowane mutacjami w genach, które kierują rozwojem układu naczyniowego w całym ciele. Fosfatydyloinozytolo-4,5-bisfosforan 3-kinazy katalitycznej podjednostki alfa (PIK3CA) jest jednym z tych genów. Jest to metaforyczne „gorące miejsce” dla mutacji, które przyczyniają się do wad rozwojowych mniejszych naczyń krwionośnych, powodując gromadzenie się krwi pod skórą.

Ten specyficzny typ malformacji naczyniowej jest mniej zbadany niż inne i zwykle jest wykrywany przy urodzeniu. Choroby te zaczynają się wraz z rozwojem dziecka. Ponieważ na tym etapie rozwoju dziecka zachodzi wiele zmian, badanie tego stanu może być trudne dla naukowców.

Zespół w trakcie tworzenia

Julie Blatt, MD, profesor hematologii-onkologii dziecięcej na Wydziale Pediatrii UNC, dostrzegła potrzebę nowego podejścia do modelowania choroby, która dotyka większość jej pacjentów.

Dr Blatt, który jest zainteresowany zmianą przeznaczenia leków przeciwnowotworowych do leczenia pacjentów pediatrycznych z anomaliami naczyniowymi, odebrał telefon i zadzwonił do Polachecka, który jest z zawodu inżynierem biomedycznym, aby zapytać, czy mógłby stworzyć mikroprzepływowy model PIK3CAmalformacje naczyniowe swoiste dla 0.

Mniej więcej w tym samym czasie dr Wen Yih Aw pracowała nad swoim stopniem doktora habilitowanego w UNC Catalyst, grupie badawczej skupiającej się na zrozumieniu rzadkich chorób w Eshelman School of Pharmacy. W końcu Aw zaczęła wykorzystywać swoją podstawową wiedzę naukową w laboratorium Polacheck w innym projekcie.

Oprócz Blatta i Aw, laboratorium współpracuje z Boycem Griffithem, doktorem z Wydziału Matematyki i Programu Medycyny Obliczeniowej, który pomaga w analizie struktur sieci.

„Myślę, że wszystkie te elementy były niezbędne do ukończenia pracy” — powiedział Polacheck. „To mówi coś o UNC, ponieważ było wiele szkół wyższych i wydziałów współpracujących ze sobą. Nie było żadnych przeszkód we współpracy przy tym projekcie.”

Jak działa model mikroprzepływowy

Modele mikroprzepływowe to niewiarygodnie małe – wielkości mniej więcej milimetra – trójwymiarowe urządzenia, które można wykorzystać do kontrolowania lub symulowania środowiska w ciele. W takim przypadku mały kawałek zdrowej tkanki naczynia krwionośnego jest wyśrodkowany wewnątrz urządzenia. Stamtąd naukowcy mogą wprowadzać do modelu określone substancje chemiczne i siły mechaniczne, aby symulować stan ciała. Następnie inicjują PIK3CA mutacja.

Aby potwierdzić, czy ich model dokładnie przedstawia objawy choroby, zespół musiał przeprowadzić badanie skuteczności leku.

Obecnie w leczeniu malformacji naczyniowych stosuje się dwa leki: rapamycynę i alpelisib. Ten ostatni jest nowo odkrytym PIK3CA-specyficzny inhibitor, który został niedawno zatwierdzony przez FDA do leczenia niektórych rodzajów raka piersi i PIK3CA-powiązane widmo przerostu. Dotychczasowe badania przedkliniczne na modelach mysich i na pacjentach wykazały, że alpelisib jest skuteczniejszy w odwracaniu wad rozwojowych naczyń.

Po wybraniu dwóch leków Polacheck i Awe zastosowali leczenie na swoich urządzeniach. Badanie zakończyło się sukcesem.

„Naczynie krwionośne było naprawdę rozszerzone i duże” – powiedział Awe, który był pierwszym autorem badania. „Dzięki leczeniu lek był w stanie ją zmniejszyć i mniej więcej przywrócić jej normalny kształt i funkcję. Byliśmy bardzo podekscytowani, że udało nam się powtórzyć niektóre wyniki in vitro z modelem, który zbudowaliśmy”.

Idąc dalej, Awe i Polacheck chcą powtórzyć odkrycie w tkankach pacjentów z malformacją naczyniową, zwłaszcza tych, którzy nie mają PIK3CA mutacją lub nie mają jasnej informacji genetycznej. Ich model można teraz wykorzystać do oceny nowych leków lub do przeprowadzania synergicznych badań nad lekami.

Wiele ścieżek do przyszłych badań

Teraz, gdy wiedzą, że ich model działa, Wen i Polacheck planują wykorzystać go do zbadania jednego aspektu mutacji, zwanego dynamiką czasową, a także wpływu mutacji na wady rozwojowe tkanki limfatycznej.

Choroba początkowo zaczyna się od pojedynczej komórki, która nabywa PIK3CA mutacja. Następnie, podobnie jak w przypadku reakcji łańcuchowej, skutki mutacji w tej jednej komórce rozprzestrzeniają się na otaczające komórki, aż wada zostanie w pełni uformowana. W obecnym stanie ich modelu laboratorium nie może naśladować tego naturalnego procesu.

Jednak Wen już pracuje nad nowym i innym podejściem do modelu mikroprzepływowego. Jej celem jest stworzenie platformy, która pozwoli im zacząć od zdrowych komórek, a następnie „odwrócić” mutację i obserwować, jak postępuje w interesującej tkance. Ostatecznie pomoże im zrozumieć, w jaki sposób mutacja może wpływać na inne komórki i przemieszczać się w przestrzeni.

Malformacje naczyniowe mogą również wystąpić w tkance limfatycznej. W przeciwieństwie do naczyń krwionośnych, naczynia limfatyczne mają obowiązek zawracania nadmiaru płynów w organizmie i działają jak superautostrada dla komórek odpornościowych, aby dostać się do miejsc infekcji. Niewiele wiadomo na temat podstawowej biologii komórek śródbłonka limfatycznego, więc Polacheck ma nadzieję przeprowadzić badanie podobne do jego ostatniego.

„Wyjścia są nieco inne, ponieważ funkcja naczyń limfatycznych różni się od funkcji naczyń krwionośnych” – powiedział Polacheck. „Porównując i porównując to, co dzieje się po stronie krwi i limfy, będziemy mogli również dowiedzieć się czegoś o podstawowej biologii tych dwóch rodzajów tkanek”.

O UNC School of Medicine

UNC School of Medicine (SOM) to największa szkoła medyczna w stanie, która każdego roku kończy ponad 180 nowych lekarzy. Jest konsekwentnie zaliczany do najlepszych szkół medycznych w USA, w tym 5^cz ogólnie dla podstawowej opieki zdrowotnej według US News & World Report oraz 6^cz do badań wśród uniwersytetów publicznych. Ponad połowa z 1700 członków wydziału szkoły była głównymi badaczami w ramach nagród za aktywne badania w 2021 r. Dwóch członków wydziału UNC SOM zdobyło nagrody Nobla.

# # # #