به گزارش پایگاه اطلاع رسانی بنیان، رگ‌های مغزی از ساختارهای بسیار پیچیده‌ای تشکیل شده اند که جریان خون لازم برای برآوردن نیازهای انرژی بالای مغز را تسهیل می کنند. پیچیدگی‌های هندسی آنها رفتار بیوفیزیکی سلول‌های تومور در حال گردش در مغز را تغییر می‌دهد و در نتیجه بر متاستاز مغز تأثیر می‌گذارد. تحقیقات اخیر نشان می‌دهد که مسیرهای پیچ در پیچ رگ‌های خونی ممکن است باعث ایجاد سرطان‌های متاستاتیک شود، موضوعی که توجه قابل توجهی را در دانشگاه به خود جلب می‌کند. در راستای حل این مشکل یک تیم مشترک از فناوری چاپ زیستی سه بعدی برای بازتولید ساختارهای پیچیده عروق خونی مغز در آزمایشگاه استفاده کردند. تمرکز اصلی آنها بر کشف تأثیر انحنای عروق خونی بر حرکت سلول‌های تومور در گردش در مغز بود. یافته‌های تحقیق در Nature Communications منتشر شده است.

ساختارهای تخصصی رگ‌های خونی مغز

رگ‌های خونی مغز از ساختارهای تخصصی تشکیل شده‌اند که پرفیوژن مغزی لازم برای انرژی بالای فعالیت‌های عصبی را تسهیل می‌کنند. مغز بومی که تنها حدود 2 درصد وزن بدن را تشکیل می‌دهد، تقریباً 15 تا 20 درصد از کل خون موجود در بدن را دریافت می‌کند. این جریان خون قابل توجه اجازه می‌دهد تا تقریباً 49 میلی لیتر اکسیژن در دقیقه با استفاده از 750 میلی لیتر خون در دقیقه تحویل داده شود. عروقی که از قلب منشا می‌گیرند، روی سطح قشر مغز ایجاد می‌شوند، تا عمق مغز گسترش می‌یابند و شبکه‌های پیچیده ای را تشکیل می‌دهند. عروق مغزی باید گزینش مولکولی بالایی را برای تنظیم هموستاز ریزمحیط مغز حفظ کند. سلول‌های اندوتلیال مغز با ادغام با سلول‌های حمایت‌کننده، مانند پری‌سیت‌ها، سلول‌های گلیال و سلول‌های عصبی، سدی بسیار سازمان‌یافته ایجاد می‌کنند که عبور پاتوژن‌ها را محدود می‌کند. با این حال، علیرغم وجود مانع فیزیکوشیمیایی، متاستازها عمدتاً در نواحی خاصی از مغز مشاهده می‌شوند، مانند ناحیه مرزی عروقی یا مرز ماده خاکستری-سفید، جایی که سد شروع به خم شدن می‌کند و ساختارهای مارپیچی، حلقه‌ای و مارپیچی را تشکیل می‌دهد. دهه‌ها تحقیق نشان داده است که چنین پیچ‌خوردگی قابل‌توجهی می‌تواند رفتار بیوفیزیکی سلول‌های تومور در گردش را با تغییر عواملی که توزیع همودینامیک را کنترل می‌کنند، از جمله سرعت جریان خون و تنش برشی دیواره (WSS) کنترل کند. بنابراین، محققان حدس می زنند که تعامل بیومکانیکی، بیوشیمیایی و سلولی بین عروق مغزی و سلول های تومور به پیشرفت متاستازهای مغز کمک می‌کند.

استفاده از مهندسی بافت برای درک مکانیسم‌های متاستاز مغزی

مدل‌های in vitro متعددی برای درک مکانیسم‌های متاستاز مغزی ایجاد شده‌اند. برای مثال، مدل‌های هم کشتی مبتنی بر سیستم Transwell بینش‌هایی در مورد ارتباطات بین سلولی در بقا و رشد سلول‌های تومور در مغز ارائه کرده‌اند و به طور بالقوه می‌توانند یک روش غربالگری با توان عملیاتی بالا را ارائه دهند. با این حال، این مدل‌ها نمی‌توانند رویدادهای تنظیم‌کننده سرعت، از جمله گردش خون، چسبندگی، و خارج شدن سلول‌های تومور را در ریزمحیط سه‌بعدی (3D) خلاصه کنند. برای غلبه بر این محدودیت، دستگاه‌های میکروسیال سه بعدی اخیراً به عنوان یک رویکرد جایگزین برای بازآفرینی چنین رویدادهای متاستاتیکی در بافت عروقی در شرایط آزمایشگاهی پدیدار شده‌اند. علاوه بر این، با ترکیب پرینت سه بعدی و فناوری‌های محاسباتی، عروق مغزی مختلف از نظر ساختاری مدل‌سازی و تجزیه و تحلیل شده‌اند تا اثرات آن‌ها بر انتشار تومور را تأیید کنند. با این وجود، بیشتر استراتژی‌های مهندسی بافت گزارش‌شده همچنان بر فرآیندهای کاملاً پیچیده‌ای مانند ساخت داربست، بذر سلولی و اتصال لوله پرفیوژن متکی هستند، بنابراین بازده تولید دستگاه‌ها کاهش می‌یابد. علاوه بر این، تنها چند تلاش برای مهندسی عروق خونی چند سلولی مغز با انحناهای مختلف عروق مغزی انجام شده است. در نتیجه، پیشرفت در درک عوامل کلیدی محرک بیومکانیکی در متاستازهای مغزی اندک بوده است و توسعه تحقیقات پیش بالینی در بیماری عروق مغزی محدود شده است.

متاستاز مغزی

متاستاز مغزی که اغلب به دلیل پیش‌آگهی بد و چالش‌های درمان آن به عنوان پایانی طبقه‌بندی می‌شود، زمانی اتفاق می‌افتد که سلول‌های سرطانی که از بافت‌های دیگر جدا شده‌اند، در پیچ و خم پیچیده رگ‌های خونی در عمق مغز حرکت می‌کنند تا بیماری را شروع کنند. در حالی که چندین مدل آزمایشگاهی برای مطالعه مکانیسم‌های شروع آن توسعه یافته‌اند، درک تأثیر عوامل فیزیولوژیکی در رگ‌های خونی مغز و ساختارهای آناتومیکی آن‌ها بر توسعه سرطان متاستاتیک یک مانع مهم بوده است.

شیوه مطالعاتی

این تیم یک بیوئینک تخصصی ساختند که به صراحت برای ایجاد عروق خونی مغز طراحی شده بود. مدل‌های چاپ سه بعدی با استفاده از جوهر معمولی با چالش‌هایی در تکثیر دقیق عروق پیچیده مغزی مواجه شدند، زیرا در حفظ ساختار تا زمان انجماد کامل با مشکل مواجه شدند. برای مقابله با این مشکل، تیم ماتریکس خارج سلولی سلول زدایی شده از مغز (BdECM) ترکیبی را با ترکیب ماتریکس خارج سلولی سلول زدایی شده از مغز با آلژینات استخراج شده از جلبک دریایی ایجاد کرد. این ترکیبی ابتکاری BdECM، شامل کلاژن و حدود 2000 نوع پروتئین دیگر، به سرعت پس از چاپ تثبیت می‌شود و امکان تکثیر دقیق ساختارهای پیچیده‌تر عروق خونی مغز را نسبت به آنچه قبلاً می‌شد، فراهم می‌کند.

یافته‌های مطالعه

این تیم از این فناوری پیشرفته برای مهندسی رگ‌های خونی عملکردی مغز که شامل لایه‌های سلولی متعدد - لایه‌های اندوتلیال، اطراف و آستروسیت/نرون - با انحناهای مختلف است، استفاده کردند. تجزیه و تحلیل آنها در مورد چگونگی واکنش سلول‌های تومور در گردش به ساختار عروق مغزی یک یافته مهم را نشان داد: افزایش انحنای عروق خونی می‌تواند با چسبندگی زیاد سلول‌های سرطانی به دیواره عروق مرتبط باشد. علاوه بر این، این تیم مکانیسم‌های سطح مولکولی ایجاد سرطان متاستاتیک را از طریق تعامل بین سلول‌های سرطانی و بافت‌های عروقی مغز بررسی کردند. متعاقبا، محققان از شبیه‌سازی رایانه‌ای با مدل عروق خونی مغز برای بررسی عواملی مانند سرعت جریان خون و تنش برشی دیواره استفاده کردند و ارتباط بین انحنای عروق مغزی و خارج شدن سلول‌های سرطانی را به‌طور بیوفیزیکی بررسی کردند.

تیم تحقیقاتی توسط پروفسور دونگ وو چو و دکترا رهبری شد. نامزد Wonbin Park از دپارتمان مهندسی مکانیک دانشگاه علم و فناوری پوهانگ (POSTECH)، به همراه پروفسور بیونگ سو کیم و Ph.D. جائه سونگ لی کاندیدای دانشکده مهندسی همگرایی زیست پزشکی در دانشگاه ملی پوسان و پروفسور جی گائو از دانشکده فناوری پزشکی در موسسه فناوری پکن.پروفسور دونگ وو چو توضیح داد: "با بررسی عناصر مولکولی و دینامیکی برون‌روی سرطان از طریق مدل‌های عروق مغزی چاپ شده، مکانیسم‌های شروع بیماری را بررسی کرده‌ایم. ما استفاده از این فناوری را برای توسعه دارویی با هدف درمان متاستاز مغزی در نظر می‌گیریم."

پایان مطلب/.