Simulationen zeigen, wie Blutgefäße umgruppieren nach Schlaganfall

Durch das Denken von Zellen als programmierbare Roboter, Forscher an der Rice University hoffen, eines Tages zu lenken , wie sie in die kleinen Blutgefäße , die das Gehirn zu ernähren und den Menschen helfen, wieder zu erlangen Funktionen verloren zu wachsen Schlaganfall und Krankheit.

Reis bioengineer Amina Qutub und ihre Kollegen zu simulieren Muster der Mikrogefäßzellwachstumsund vergleichen die Ergebnisse mit realen Netzwerken in ihrem Labor gezüchtet. Schließlich wollen sie die Möglichkeit, die Art, wie diese Netzwerke zu entwickeln Kontrolle zu entwickeln.

Die Ergebnisse einer langen Studie stehen im Mittelpunkt einer neuen Papier in der Journal für Theoretische Biologie .

"Wir wollen in der Lage, insbesondere Kapillarstrukturen entwerfen ", sagte Qutb , ein Assistent Professor für Bioengineering an Rice BioScience Forschung Collaborative basiert . "In unserem Computermodell , die Zellen sind Miniatur adaptive Roboter, die miteinander reagieren , um ihre Umwelt und Muster in einzigartigen Strukturen, die parallel , was wir im Labor sehen, zu reagieren. "

Eine so genannte Hypoxie , die zu Schlaganfällen führen kann - - Wenn Gehirnzellen der Sauerstoff entzogen sie pumpen Wachstumsfaktor- Proteinen, die Endothelzellen zu signalisieren. Jene Zellen , die das Innere der Leitung der Blutgefäße, werden aufgefordert, zweigen als Kapillaren in einem Prozess namens Angiogenese , um Sauerstoff zu ausgehungert Neuronen zu bringen.

Wie diese neuen Schiffe bilden Netzwerke und die Formen sie nehmen sind von großem Interesse für Bio-Ingenieure , die den Blutfluss in Teilen des Gehirns durch die Regeneration des Mikrogefäßsystems verbessern wollen .

"Das Problem , vor allem wenn wir älter werden , ist, dass wir immer weniger in der Lage, diese Blutgefäße wachsen", sagte Qutub . " Zur gleichen Zeit , wir sind einem höheren Risiko für Schlaganfälle und neurodegenerativen Krankheiten . Wenn wir verstehen, wie die Gefäßstrukturen zu führen und ihnen helfen, Selbstreparatur sind wir einen Schritt näher an der Unterstützung der Behandlung. "



Erstens müssen sie wissen, wie einzelne Zellen auf Reize reagieren. Um den Prozess in einem Computermodell erfordert Regeln , die Qutub . Bei diesen Simulationen jede Zelle eine " Zustandsmaschine " eine Einheit, die von einem "Zustand" auf die nächste Zeit basierend auf einer Eingabe geht . Im Falle dieser Endothelzellen, die Eingangs kommt von vaskulären endothelialen Wachstumsfaktor und / oder Wachstumsfaktor BDNF , Proteine, die die Angiogenese fördern.

"Es gibt einen Speicher in jeder dieser Zellen , die definieren, wie sie in diese sehr aufwändige Gefäßstrukturenentstehen hilft ", sagte sie . Die Zellen, die schnell in die Spitze und Stielzellen differenzieren folgen bestimmten Regeln voran, zu wachsen , sich teilen und Zweig, je nach Eingabe von Wachstumsfaktoren und von benachbarten Zellen , die , wie weit und wie schnell sie sich entwickeln diktieren können .

Zum Beispiel , sagte sie , in einer Kette von Endothelzellen kann eine Spitze Zelle an seine maximale Länge nur dann weiter wandern , wenn die Stielzelle unmittelbar hinter wächst und schiebt ihn nach vorn. In ähnlicher Weise hat das Team festgelegten Regelungen für die Verzweigung und Richtungsänderungen , sowie ein Zustand "Bereit" , die alle auf der Beobachtung der realen Gefäßwachstum basiert .

Die Forscher modelliert eine Reihe von Endothelzellen wächst von einer Kugel und setzte sie simulierte Wachstumsfaktoren. Sie lassen Sie sie für das, was im wirklichen Leben wäre ein Zeitraum von 24 Stunden zu wachsen, aber im Computer dauerte von Sekundenbruchteilen . Sie liefen Zehntausende von Simulationen , um zu sehen , wie die Zellen würde zu migrieren, vermehren und Niederlassung unter verschiedenen Bedingungen .

Der nächste Schritt war , um herauszufinden , welches der Computersimulationen tatsächliche Verhalten abgestimmt. Qutub Labor kultivierten Bereichen der menschlichen Nabelvenen-Endothelzellen in Kollagenträger , setzte sie Wachstumsfaktoren und nahm Mikroskopbilder , wie sie sich über mehrere Tage entwickelt Netzwerken.

Sie verglichen diese Bilder mit den Simulationen . Die nächsten Spiele - von denen es nur wenige unter tausenden von Simulationen - wurde die Grundlage für eine verfeinerte Regelwerk.

"Wir wissen , wie die Zellen werden als eine Funktion der Wachstumsfaktoren verbunden , und es gibt sehr unterschiedliche Muster auf die Art, wie diese Netze organisiert sind ", so Qutub . "Also , wenn wir die Simulationen mit den Tests finden wir Parallelen , die uns zu klassifizieren , was wir in der realen Netzwerke anzuzeigen. Dies gibt uns ein Paradigma , wo wir beginnen können, um tatsächlich die Programmierung realen Zellen mit chemischen Signal denken lassen .

" Es eröffnet viele Türen ", sagte sie . "Jetzt können wir über die Dinge zu verändern, die in den Zellen oder ihnen Medikamente, die Wege und Wachstumsfaktoren zielen , um eine bestimmte Gefäßstrukturzu induzieren zu denken. "