Εκτύπωση 3D: Εγκεφαλικά αγγεία που μιμούνται τη ροή του ανθρώπινου αίματος

Οι αγγειακές παθήσεις του εγκεφάλου, όπως η αθηροσκλήρωση και τα εγκεφαλικά επεισόδια, αποτελούν μία από τις κυριότερες αιτίες θνησιμότητας και αναπηρίας παγκοσμίως. Κοινό χαρακτηριστικό τους είναι η στένωση των αγγείων, μια παθολογική κατάσταση που διαταράσσει τη φυσιολογική ροή του αίματος στα εγκεφαλικά αγγεία και οδηγεί σε χρόνια φλεγμονή του αγγειακού τοιχώματος. Τα ενδοθηλιακά κύτταρα που επενδύουν το αγγειακό σύστημα παίζουν καθοριστικό ρόλο: αντιλαμβάνονται τις μηχανικές δυνάμεις της ροής (διατμητική τάση) και, όταν αυτές είναι ανώμαλες, ενεργοποιούν φλεγμονώδεις μηχανισμούς.

Η μελέτη αυτής της διαδικασίας σε ζωντανούς οργανισμούς είναι ιδιαίτερα δύσκολη λόγω της πολυπλοκότητας του εγκεφαλικού αγγειακού συστήματος. Μέχρι σήμερα, τα εργαστηριακά μοντέλα που χρησιμοποιούνταν, όπως οι στατικές καλλιέργειες ή τα μικρορρευστομηχανικά συστήματα, δεν μπορούσαν να αναπαράγουν πιστά τη βιολογική και μηχανική πολυπλοκότητα του ανθρώπινου εγκεφάλου. Έτσι, η ανάγκη για πιο ρεαλιστικά μοντέλα ήταν επιτακτική.

Η καινοτομία: Αγγεία εγκεφάλου με βιοεκτύπωση 3D

Μια ερευνητική ομάδα από το Πανεπιστήμιο Pusan στη Νότια Κορέα, σε συνεργασία με το Πανεπιστήμιο POSTECH, ανέπτυξε πρόσφατα ένα 3D-εκτυπωμένο μοντέλο εγκεφαλικών αγγείων με στένωση, ανοίγοντας νέους δρόμους στη μελέτη της παθοφυσιολογίας και στη θεραπευτική προσέγγιση. Με τη χρήση μιας νέας τεχνικής βιοεκτύπωσης, οι επιστήμονες δημιούργησαν αγγεία με ελεγχόμενη στένωση, χρησιμοποιώντας ένα υβριδικό βιομελάνι που συνδύαζε αποκυτταροποιημένη εξωκυττάρια μήτρα από χοίρειες αορτές, κολλαγόνο και αλγινικό.

Αυτό το υλικό παρείχε ταυτόχρονα μηχανική αντοχή και βιολογικά σήματα για την καλύτερη προσκόλληση και λειτουργία των ενδοθηλιακών κυττάρων. Τα αγγεία αυτά «σπάρθηκαν» με ανθρώπινα ενδοθηλιακά κύτταρα, τόσο από ομφαλική φλέβα (HUVECs) όσο και από μικροαγγεία του εγκεφάλου (HBMECs), και εκτέθηκαν σε συνθήκες ροής που προσομοίαζαν είτε τη φυσιολογική είτε τη στενωτική κυκλοφορία.

Αποτελέσματα που μιμούνται τον ανθρώπινο οργανισμό

Η μελέτη απέδειξε ότι το νέο μοντέλο αναπαράγει με ακρίβεια:

• Τις αιμοδυναμικές ανωμαλίες που συναντώνται στις στενώσεις αγγείων.

• Την ενεργοποίηση φλεγμονωδών μονοπατιών στα ενδοθηλιακά κύτταρα υπό διαταραγμένη ροή.

• Τη διατήρηση της αγγειακής ακεραιότητας, με σωστή έκφραση πρωτεϊνών σύνδεσης όπως CD31, VE-cadherin και ZO-1.

Η χρήση υπολογιστικών προσομοιώσεων και πειραμάτων με μικροσφαιρίδια επιβεβαίωσε ότι τα σημεία στένωσης οδηγούσαν σε διαταραγμένη ροή, χαρακτηριστικό εύρημα που σχετίζεται με αθηροσκλήρωση και αυξημένο κίνδυνο εγκεφαλικού επεισοδίου.

Γιατί είναι σημαντικό αυτό το επίτευγμα;

Η νέα πλατφόρμα γεφυρώνει το χάσμα ανάμεσα στα απλοποιημένα in vitro μοντέλα και την πολυπλοκότητα των in vivo μελετών. Με τον τρόπο αυτό:

• Δίνει τη δυνατότητα στους επιστήμονες να μελετήσουν την ενδοθηλιακή φλεγμονή σε ρεαλιστικές συνθήκες.

• Μειώνει την ανάγκη χρήσης πειραματόζωων για την κατανόηση των αγγειακών παθήσεων.

• Δημιουργεί μια βάση για δοκιμές νέων φαρμάκων και την αξιολόγηση πιθανών παρενεργειών.

Επιπλέον, η ευελιξία της μεθόδου επιτρέπει την ενσωμάτωση διαφορετικών τύπων κυττάρων, ανοίγοντας τον δρόμο για προσωποποιημένη ιατρική. Στο μέλλον, η χρήση κυττάρων από ασθενείς θα μπορούσε να οδηγήσει στη δημιουργία εξατομικευμένων αγγειακών μοντέλων για την επιλογή της κατάλληλης θεραπείας.

Προοπτικές και μελλοντικές κατευθύνσεις

Οι ερευνητές υπογραμμίζουν ότι τα επόμενα βήματα περιλαμβάνουν:

1. Την ενσωμάτωση εξειδικευμένων εγκεφαλικών εξωκυττάριων μητρών ώστε να αυξηθεί η βιολογική ακρίβεια.

2. Τη συγκαλλιέργεια με υποστηρικτικά αγγειακά κύτταρα, όπως περιαγγειακά ή λείες μυϊκές ίνες.

3. Τη χρήση κυττάρων από ασθενείς, για να δημιουργηθούν μοντέλα που θα ανταποκρίνονται στις ιδιαιτερότητες του κάθε οργανισμού.

4. Την ενσωμάτωση σε πλατφόρμες organ-on-a-chip και τη χρήση τεχνητής νοημοσύνης για την ανάλυση σε πραγματικό χρόνο των αντιδράσεων των αγγείων σε θεραπείες.

Η τρισδιάστατη βιοεκτύπωση στα εγκεφαλικά αγγεία με στένωση αποτελεί ένα πρωτοποριακό βήμα στην αγγειακή βιοϊατρική έρευνα. Το μοντέλο αυτό όχι μόνο μιμείται με εντυπωσιακή ακρίβεια τη ροή και τη λειτουργία των ανθρώπινων αγγείων, αλλά και ανοίγει τον δρόμο για νέες προσεγγίσεις στη μελέτη της αθηροσκλήρωσης, των εγκεφαλικών επεισοδίων και άλλων αγγειακών νοσημάτων. Καθώς οι τεχνολογίες βιοεκτύπωσης εξελίσσονται, η εφαρμογή τους υπόσχεται να αλλάξει ριζικά τον τρόπο που κατανοούμε, μελετάμε και θεραπεύουμε τις εγκεφαλικές αγγειακές παθήσεις, φέρνοντάς μας πιο κοντά στην προσωποποιημένη ιατρική του μέλλοντος.