Une approche prometteuse de l'ingénierie des structures vasculaires repose sur l'utilisation de biomatériaux microstructurés qui peuvent aider à guider l'angiogenèse et qui, à ce titre, ont été largement étudiés dans le monde entier, notamment en vue du traitement des maladies vasculaires.

Récemment, des scientifiques de l'Institut de chimie physique de l'Académie polonaise des sciences ont réussi à résoudre un casse-tête dans l'ingénierie des tissus vasculaires, fournissant ainsi d'importantes preuves expérimentales pour la compréhension et le contrôle de l'angiogenèse germinative in vitro. L'étude est publiée dans la revue APL Bioengineering .

L'angiogenèse est un processus complexe qui implique la formation de nouveaux vaisseaux sanguins à partir des vaisseaux préexistants via un processus de division et de germination des vaisseaux. L'angiogenèse peut se produire dans n'importe quelle partie du corps et est si complexe que son contrôle et/ou son imitation en laboratoire est devenu l'un des défis centraux de la bio-ingénierie.

Une compréhension et un contrôle complets de la formation des réseaux vasculaires pourraient aider à gérer un large éventail de maladies, allant de la régénération des vaisseaux sanguins endommagés par un traumatisme au traitement du cancer métastatique, faisant de l'angiogenèse contrôlée le Saint Graal de la médecine régénérative. P>

Suivant cette idée, des chercheurs de l'Institut de chimie physique de l'Académie polonaise des sciences (ICP PAS) ont mené une série d'expériences sur l'évolution des réseaux capillaires germés en utilisant des gels de fibrine comme matériau de soutien semblable à un tissu et ont établi d'éventuels principes dynamiques généraux. régissant l'angiogenèse de la germination.

Avant cette recherche révolutionnaire, l’étude de l’évolution des réseaux microvasculaires en germination reposait en grande partie sur l’analyse d’un seul, ou tout au plus de plusieurs moments de la culture. Si cette approche a été suffisante pour estimer les tendances globales de la croissance, elle n'a jamais permis de décrypter les différentes étapes de l'évolution microvasculaire in vitro.

Pour découvrir les règles possibles régissant la dynamique angiogénique, de nombreuses et diverses approches théoriques à différents niveaux de complexité ont été proposées. Malheureusement, une comparaison directe des prédictions théoriques avec les expériences a été limitée en raison de la rareté des données expérimentales résolues dans le temps, c'est pourquoi la plupart des études théoriques reposaient uniquement sur une comparaison qualitative des morphologies tardives.

Ce casse-tête a été récemment résolu grâce à de nouvelles expériences et à des outils d'analyse d'images automatisés développés sur mesure par une équipe de chercheurs de l'IPC PAS et leurs collaborateurs de l'Institut de physique théorique de l'Université de Varsovie. Dans leurs travaux, les chercheurs ont démontré la possibilité d'extraire des caractéristiques statistiques et topologiques détaillées des réseaux microvasculaires en germination.

L'un des objectifs du projet était le développement de tests de dépistage de médicaments basés sur l'angiogenèse plus fiables et reproductibles ainsi que de nouvelles stratégies d'ingénierie des tissus vasculaires. Comment ça marche ?

Les chercheurs ont isolé des réseaux microvasculaires en germination et ont surveillé leur croissance jour après jour pendant 14 jours dans des conditions de culture bien contrôlées. Ils ont enregistré une gamme de paramètres morphométriques tels que la longueur totale des pousses, leur superficie, ainsi que les distributions statistiques des longueurs des branches individuelles ou les angles de ramification.

Sur la base d’images microscopiques collectées lors de plusieurs expériences parallèles, une analyse statistique à grande échelle a été réalisée. Parallèlement, les observations se sont concentrées sur la dynamique de la formation du réseau vasculaire afin de déterminer les traits caractéristiques des processus de croissance angiogénique. L'objectif était de comprendre la complexité des premières étapes de l'angiogenèse qui incluent la formation de germes et leurs bifurcations suivies par la formation d'interconnexions, etc.

Le Dr Rojek, le premier auteur de ces travaux, déclare :"Nous pensons que notre travail est unique puisque nous construisons notre modèle de la formation et de l'évolution des réseaux vasculaires en germination sur une grande quantité de données biologiques.

"Jusqu'à présent, la plupart des conclusions et des règles ont été fournies par la modélisation mathématique, qui est un outil très puissant mais souffre souvent de simplifications excessives et ne parvient pas à reproduire les systèmes biologiques réels. Cela souligne l'importance de la collaboration étroite entre expérimentateurs et théoriciens."

Les auteurs ont développé de nouveaux protocoles d'analyse d'images qui leur ont permis de déterminer de manière automatisée les paramètres mentionnés ci-dessus.

"Notre logiciel, écrit en langage de programmation Python, est optimisé pour le traitement d'une grande quantité de données issues de multiples expériences. Il fournit une base solide en termes de mise en œuvre et offre des temps de calcul rapides.

"Les données résolues dans le temps couvrant toute la durée de vie des réseaux nous ont permis de proposer des règles de base régissant le développement topologique des microvascularisations en germination", ajoute le docteur. le candidat Antoni Wrzos et le prof. Szymczak qui a dirigé le développement du logiciel d'analyse de données.

Les scientifiques ont effectué des études en suivant quotidiennement l'évolution des réseaux en train de germer à l'aide du langage de programmation Python pour fournir les détails de la topologie des réseaux, y compris les angles de branchement et leurs distributions. Les études présentées ont abouti à une vaste bibliothèque de données sur les étapes typiques de formation d'un réseau.

En particulier, ces étapes comprenaient (i) une étape initiale inactive au cours de laquelle les cellules proliféraient sans former de germes, (ii) une étape de croissance rapide au cours de laquelle les pousses s'allongeaient et se ramifiaient, et (iii) une étape finale de maturation au cours de laquelle le taux de croissance ralentissait. vers le bas. Les analyses ont également fourni des données sur les différences de croissance dans différents milieux, indiquant l'impact du facteur de croissance endothélial vasculaire ajouté sur le comportement des cellules cultivées.

L'effet le plus important du milieu "enrichi" était la germination plus précoce et l'augmentation du nombre de branches, tandis que le taux de croissance linéaire des branches restait indépendant du facteur de croissance ajouté. L'analyse statistique morphométrique réalisée par les chercheurs de l'IPC PAS a en outre révélé que les angles de branchement fluctuaient autour d'une valeur moyenne qui, de manière assez surprenante, apparaissait proche de la valeur « magique » de 72 degrés caractéristique des modèles de croissance dits laplaciens, ces derniers étant typiquement appliqué pour décrire la croissance de cristaux ou la dissolution de roches fracturées.

L'analogie suggère que, tout comme dans les modèles laplaciens, les pointes avancées des pousses peuvent avoir tendance à suivre les gradients locaux de concentration en facteurs de croissance.

" Collectivement, nos résultats, en raison de leur grande pertinence statistique, peuvent servir, par exemple, de référence pour les modèles prédictifs. De futures études pourraient potentiellement permettre de mieux comprendre comment les signaux externes affectent la vascularisation dans les biomatériaux contenant des graines endothéliales intégrées et aider à optimiser stratégies de réparation des tissus, par exemple via une conception appropriée des pansements prévascularisés », remarque le Dr Guzowski.

Comme l'angiogenèse est un processus complexe qui dépend de nombreux facteurs, les chercheurs ont fourni dans ce travail des résultats qui peuvent être utiles pour comprendre l'angiogenèse in vitro, par exemple lors des tests de dépistage de médicaments ainsi que dans l'ingénierie tissulaire. Les travaux présentés peuvent constituer une étape vers des tests plus rapides et plus efficaces de nouveaux médicaments et le développement de traitements médicaux personnalisés.

Sur la base des analyses numériques, les études proposées ont un potentiel d'amélioration des résultats des études de dépistage à haut débit. Les auteurs soulignent l’importance du développement de bibliothèques de données comme l’une des étapes les plus critiques dans l’identification de candidats médicaments potentiels ainsi que dans les applications futures en bio-ingénierie. Outre l'aspect scientifique des études démontrées, les auteurs soulignent l'importance de l'interdisciplinarité dans la recherche.