控制体外血管生成的实验数据 为再生医学模拟血管生成提供参考

波兰科学院物理化学研究所的科学家们成功解开了血管组织工程中的一个谜题，为理解和控制体外芽生性血管生成提供了重要的实验证据。

　　

血管生成是在活组织中形成分层血管网络的过程。这是一个复杂的过程，包括通过血管分裂和从原有血管形成新血管。血管生成可以发生在身体的任何部位，它的复杂性使得在实验室条件下控制、模拟血管生成已成为一项生物工程中极具挑战性的任务。

充分了解血管网络的形成和控制，可以帮助管理从创伤损伤的血管再生到转移性癌症的治疗等一系列广泛的疾病，控制血管生成，将成为再生医学的一种很有前途的研究方向。血管组织工程可能需要依赖于微结构生物材料以帮助指导血管生成，在世界范围内已经开展了广泛的研究。最近，波兰科学院物理化学研究所(ICP PAS)的研究人员利用纤维蛋白凝胶作为支持类组织材料，进行了一系列关于芽生性毛细血管网络(sprouting capillary networks)的演化实验，并建立了潜在的控制血管新生的一般动力学原理，为理解和控制体外血管生成提供了重要的实验证据。

在这项突破性研究之前，对芽生性微血管网络进化的研究主要基于对培养中单个或最多几个时间点的分析。虽然这种方法足以估计生长的总体趋势，但它从未允许破译体外微血管进化的不同阶段。为了揭示控制血管生成动力学的可能规则，已经提出了许多不同复杂程度的理论方法。不幸的是，由于缺乏时间分辨的实验数据，理论预测与实验的直接比较受到限制，因此大多数理论研究仅依赖于对后期形态的定性比较。 

来自IPC PAS的一组研究人员及来自华沙大学理论物理研究所的合作者通过新的实验和定制的自动图像分析工具解决了这个难题。在他们的工作中，研究人员展示了提取芽生性微血管网络的详细统计拓扑特征的可能性。该项目的目标之一是开发更可靠和可重复的基于血管生成的药物测试分析，以及血管组织工程的新策略。 

研究人员分离出芽生性微血管网络，并在控制良好的培养条件下监测其生长情况，持续14天。他们记录了一系列形态测量参数，如出芽的总长度，面积，以及单个分支长度或分支角度的统计分布。基于多个平行实验采集的数十张显微图像，进行了大规模的统计分析。同时，观察血管网络形成的动力学，以确定血管生成生长过程的特征。目的是了解血管生成早期阶段的复杂性，包括出芽的形成和它们的分叉，然后是相互连接的形成等。 

这项工作的第一作者Rojek博士声称:“我们认为我们的工作是独一无二的，因为我们基于大量的生物数据建立了发芽血管网络的形成和进化模型。到目前为止，大多数结论和规则都是通过数学建模来提供的，这是一个非常强大的工具，但往往存在过度简化的问题，无法再现实际的生物系统。这强调了实验家和理论家之间密切合作的重要性。 

作者开发了新的图像分析协议，允许以自动化的方式确定上述参数。“我们的软件是用Python编程语言编写的，针对处理来自多个实验的大量数据进行了优化。它在实现方面提供了坚实的背景，并提供了快速的计算时间。跨越网络整个生命周期的时间分辨数据，使我们能够提出控制发芽微血管拓扑发展的基本规则，”在读博士Antoni Wrzos和领导数据分析软件开发的Szymczak教授表示。 

科学家们通过使用Python编程语言逐日跟踪出芽网络的演变进行研究，以提供网络拓扑的细节，包括分支角度及其分布。提出的研究产生了一个关于典型网络形成阶段的广泛数据库。特别是，这些阶段包括:(i)细胞增殖而不形成芽的初始无活性阶段，(ii)芽伸长和分枝的快速生长阶段，以及(iii)生长速度减慢的最终成熟阶段。分析还提供了不同培养基中生长差异的数据，表明添加血管内皮生长因子对培养细胞行为的影响。最重要的影响是“富集”培养基的早期出芽和枝数的增加，而枝的线性生长率与添加的生长因子无关。IPC PAS的研究人员进行的统计形态计量学分析还显示，分支角度在一个平均值周围波动，令人惊讶的是，这个平均值接近所谓的拉普拉斯生长模型的72度的“神奇”值，后者通常用于描述晶体的生长或裂隙岩石的溶解。这个类比表明——就像在拉普拉斯模型中一样——芽的尖端可能倾向于跟随生长因子浓度的局部梯度。 

Guzowski博士表示：“总的来说，由于我们的结果具有很高的统计相关性，可以作为预测模型的基准。未来的研究可能会更好地了解外部信号如何影响嵌入内皮种子的生物材料中的血管化，并有助于优化组织修复策略，例如，通过适当设计血管化的伤口敷料。“

由于血管生成是一个复杂的过程，依赖于许多因素，在这项工作中，研究人员提供的发现可能有助于理解体外血管生成，例如，在药物测试分析和组织工程中。目前的工作可能是朝着更快、更有效地测试新药和开发个性化医疗迈出的一步。基于数值分析，提出的研究有可能提高高通量筛选研究的结果。作者指出，数据库的发展是识别潜在候选药物以及未来在生物工程中的应用的最关键步骤之一。除了论证研究的科学方面外，作者还强调了研究中跨学科的重要性。

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杂志

APL生物工程

DOI

10.1063/5.0180703