Blutgefäßbildung ist für das Leben und seine Handhabung ist maßgeblich zu einer Reihe von Krankheiten. Seit mehr als 40 Jahren haben Untersuchungen über die Struktur und Funktion von Endothelzellen der Blutgefäße eine komplexe Gewebe mit komplexen Funktionen offenbart , die zeigen, dass Endothelzellen, die in allen Aspekten der vaskulären Homöostase und pathologischen Prozessen beteiligt .
Heute werden wichtige Enthüllungen über endotheliale Zellverhaltenvon GefäßsimulationForschung, einem blühenden interdisziplinäres Gebiet , die Verwendung neuartiger Rechenmodelle macht die zellulären Prozesse und dynamischen Interaktionen , die statt wie Arterien und Venen nehmen gebaut aufzudecken Schwellen .
Vascular Simulationsforschung steht im Mittelpunkt der beiden jüngsten Arbeiten von Forschern im Zentrum für Vaskuläre Biologie Forschung ( CVBR ) in Beth Israel Deaconess Medical Center ( BIDMC ) , von denen einer eine neue Erklärung für die erweiterten Blutgefäße, die in verschiedenen gesehen werden coauthored Pathologien , einschließlich Tumoren und Retinopathie .
" Zu verstehen, wie , wann und warum einzelne Endothelzellen koordinieren Entscheidungen zu Form in Bezug auf dynamische Gewebeumgebung Signale ist der Schlüssel zum Verständnis normalen und abnormen Wachstum von Blutgefäßen zu ändern ", sagt Katie Bentley , PhD, Gruppenleiter der Computational Biology Laboratory in den CVBR und Assistant Professor für Pathologie an der Harvard Medical School. " Solche Erkenntnisse könnten beispielsweise als wertvoll bei der Behandlung von Krebs, die auf einem konstanten Blutversorgung angewiesen ist, um zu unterstützen Tumor Wachstum und krebsartigen Ausbreitung . "
Adaptive Systeme Forschung bringt die Dinge in den Fokus
Bentley- Modellrechnungen ergibt sich aus Ausbildung in Adaptive Systeme Forschung, einem interdisziplinären Feld an der Aufklärung der grundlegenden Organisationsprinzipien lebender Systeme durch den kombinierten Einsatz von Simulation , Robotik und experimentellen Modellen ab. Ihre Arbeit konzentriert sich auf den Bau von simulierten ( Simulant ) Endothelzellen, geeignet zur Erzeugung neuer , unerwartetes Verhalten , einschließlich Bewegung , Form und Signaländerungen.
" Simulanten individuell und beobachtet werden als Interaktion soziale Kollektiv - rekapituliert ein wachsendes Blutgefäß , zum Beispiel ", erklärt sie . "Wir können uns mit , wie wir die Errichtung ihrer internen Abläufe zu basteln und vergleichen Sie die Änderungen dies bewirkt, dass in Modellverhalten zu echten Zellverhalten, um Vorhersagen , wie die Mechanismen funktionieren in Echt Zellen zu machen. "
Zusammen mit CVBR Ermittler Erzsebet Ravasz Regan , PhD, und Andrew Philippides , PhD, von der University of Sussex , UK , Bentley kürzlich ein Übersichtsartikel in der 28. April Ausgabe von Developmental Cell , die den wachsenden Bereich der Computersimulation in der Gefäßbiologie untersucht und konzentriert sich auf eine leicht zugängliche wegen der Beleuchtung Prinzipien und Toolsets des Feldes Adaptive Systeme für die Zellbiologie Gemeinschaft.
"Der Bereich Adaptronik traditionell stützt sich auf Tier / Insekten Verhalten und Kognition auf allgemeine Prinzipien abzuleiten und zu inspirieren, bessere Robotik für die intelligenten , adaptiven Verhalten ", sagt Bentley . " Aber wir wollten hervorheben , dass es auch eine sehr nützliche Perspektive und Denkweise sein, Zellbiologie nähern , mit anderen Worten , zu verstehen, einzelne kollektive Zellverhalten in komplexen Systemen , wie beispielsweise Wachstum von Blutgefäßen . Der Ansatz bietet nützliche Grundlagen für das Studium eine Vielzahl von Fragen zu Gesundheit und Krankheit. "
Unerwartetes Verhalten Simulant Zellen enthüllt neue in vivo Mechanismen
Mit dieser Art von Zusammenarbeit theoretische und experimentelle Ansatz , Bentley und ein Forschungsteam aus dem Labor von Holger Gerhardt , PhD, von London Research Institute Cancer Research UK kürzlich eine unerwartete Entdeckung über endotheliale Zellverhaltenwährend der Angiogenese . In einer Studie, veröffentlicht im letzten Monat in Nature Cell Biology , zeigten sie, dass sprießen Zellen sind in einem Kontinuum von Migrationszustände, durch unterschiedliche Zell-Zell- Adhäsion und vorstehenden Tätigkeiten, die richtige Gefäßorganisationfahren geregelt.
Während der Bildung von Blutgefäßen , bestimmte Moleküle und Cues sagen Endothelzellen auf unterschiedliche Eigenschaften zu nehmen, mit einigen zu " polarisiert Spitze Zellen " und andere zu " Stängel Zellen. " Zusammen bilden diese beiden Zelltypen bilden sich neue Kapillaren. Tipp und Stiel Zellen wurden früher als Rollen hergestellt haben, mit Spitze Zellen den Weg und Stiel Zellen nach zusammen , um ein Schiff Rohr zu schaffen, aber neuere Forschung hat vorgeschlagen, dass Endothelzellen sind viel spontaner und tatsächlich durchlaufen dynamische Veränderungen und häufig Schalterstellungen , mit Stiel Zellen Holen Spitze Zellen an der Spitze eines neuen Blutgefäßen .
Frühere Studien der endothelialen Umlagerungen schlug der Adhäsionsmolekül VE-Cadherin spielt eine Schlüsselrolle bei der Unterstützung Endothelzellen zu verkleben . "Unser Team war verbunden Neuordnung Verhalten von Endothelzellen während der Behälter sprießen auf einen Signalweg namens Notch ", erklärt Bentley . " Aber welche Notch reguliert , um eine Bewegung zu erzeugen und wie sie zusammenspielen mit VE-Cadherin ist nach wie vor schwer . Es ist auch nicht klar, wie pathologischer Zustände, wie Krebs kann die Umlagerung oder ob Umlagerung Mängel können zu Krankheit beitragen zu beeinflussen. "
Bentley und Gerhardt vorschlagen, wenn Endothelzellen durch den vaskulären endothelialen Wachstumsfaktor (VEGF) angeregt - und nicht durch Notch-Signalweg gehemmt - sie sind "aktiv" und kann entweder bilden eine neue Niederlassung als Spitze Zellen oder " Shuffle up" durch die vorhandene Sprossen durch Zell Umlagerung Mechanismen . Ihre neue Arbeit in Nature Cell Biology validierte Simulation Voraussagen in vivo , die zeigen, dass Notch reguliert schlurfen Bewegung über VE-Cadherin Haftung .
"Wir haben dieses Feedback Regelung zwischen VEGF und Notch-Signalweg führt zu verschiedenen Ebenen der Haftung [ durch VE-Cadherin ] und junktionale Kortex Bewegungen zwischen Zellen in der Sprössling , der eigentlich treibt die Zelle Umlagerung und Spitzenzelle Wettbewerb ", sagt Bentley . Das Team hat auch festgestellt, dass während der Entwicklung von Krebs und Progression , ist ein Schalter : die Regulierung der Adhäsion zwischen Zellen wird gleichmäßiger , so dass es in einem Cluster zusammengefasst Regionen von Zellen in einer reinen aktiven oder alle inhibierten shuffling Zustand .
"Als wir lassen Simulant Zellen lose in einer einfachen simulierten Tumorumfelddramatisch verändert ihr kollektives Verhalten ", sagt Bentley . " Die Zellen durchlaufen zyklischen Phasen der Haftung und junktionale Bewegungen jetzt als eine Gruppe , in der sie alle zu klettern , um auf einmal zu verschieben oder zu bleiben still. In jedem Fall wird sie zu keinem Ergebnis gelangt , wie das Überholen erfordert unterschiedliche Bewegung einer Zelle im Vergleich zu seinen Nachbarn . Die gestört Umlagerung bietet eine neue Erklärung für die erweiterten Blutgefäße wir in Pathologien wie in Mausmodellen von Tumoren oder Netzhauterkrankungen zu sehen. "
Dieser Forschungsansatz bietet nützliche neue Grundsätze für die Untersuchung einen einfachen und komplexen Fragen zu Gesundheit und Krankheit. "Wir hoffen , dass unsere Arbeit ist ein Beispiel , dass Zellebene Theorie zugänglich gemacht werden und , wenn sie mit Experimenten integriert , kann uns helfen, zu entwirren die Komplexität und Dynamik lebender Systeme und Krankheit ", so Bentley .