Наше тело состоит из 60 000 миль сложных труб, которые играют жизненно важную роль в транспортировке питательных веществ по организму, удалении отходов и снабжении органов свежим кислородом и кровью.

Сосудистые мальформации (СД) - это группа редких генетических заболеваний, которые вызывают аномальное формирование вен, артерий, капилляров или лимфатических сосудов при рождении. ВМ могут нарушать работу наших драгоценных труб, вызывая закупорку, плохой дренаж, образование кист и клубков.

Чтобы решить проблему, требующую дальнейшего изучения, Уильям Полачек, доктор философии, доцент объединенной кафедры биомедицинской инженерии и кафедры клеточной биологии и физиологии UNC-NCSU, и его команда, работающая в Медицинской школе UNC, разработали модель, имитирующую ВМ, вызванные мутацией PIK3CA - гена, связанного с многими типами пороков развития лимфатических, капиллярных и венозных сосудов.

Их работа была опубликована в журнале Science Advances.

Мутация PIK3CA имеет ряд "проблем с курицей и яйцом", - говорит Полачек. "Вызывает ли она что-то другое? Или есть что-то еще в окружающей среде, что вызывает более серьезные последствия мутации? Работа в гораздо более контролируемой среде, такой как микрофлюидная модель, позволяет нам изолировать и выяснить, как генетика заболевания связана с тем, что происходит в клетках".

ВМ вызываются мутациями в генах, которые направляют развитие сосудистой сети во всем организме. Фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфат 3-киназа каталитическая субъединица альфа (PIK3CA) - один из таких генов. Это метафорическая "горячая точка" для мутаций, которые способствуют развитию пороков развития мелких кровеносных сосудов, в результате чего кровь скапливается под кожей.

Этот конкретный тип порока развития сосудов менее изучен, чем другие, и обычно обнаруживается при рождении. Эти заболевания начинаются во время развития ребенка. Поскольку в этот момент в развитии ребенка происходит множество изменений, исследователям может быть трудно изучить это состояние.
Команда в процессе становления

Джули Блатт, доктор медицинских наук, профессор детской гематологии и онкологии на кафедре педиатрии UNC, увидела необходимость в новом подходе к моделированию заболевания, от которого страдает большинство ее пациентов.

Доктор Блатт, заинтересованная в применении противораковых препаратов для лечения педиатрических пациентов с сосудистыми аномалиями, сняла трубку и позвонила Полачеку, который по профессии является биомедицинским инженером, чтобы спросить, может ли он создать микрофлюидную модель сосудистых мальформаций, специфичных для PIK3CA0.

Примерно в то же время Вен Йих Ау, доктор философии, работала над своей постдокторской степенью в UNC Catalyst, исследовательской группе, сосредоточенной на изучении редких заболеваний в Школе фармации Эшелмана. Со временем Ау начала использовать свои знания в области фундаментальных наук в лаборатории Полачека в рамках другого проекта.

Помимо Блатта и Ау, в лаборатории работает Бойс Гриффит, доктор философии с кафедры математики и программы вычислительной медицины, который помогает анализировать структуры сетей.

"Все эти части, я думаю, были необходимы для завершения работы", - сказал Полачек. "Это действительно говорит о UNC, потому что здесь несколько колледжей и факультетов работали вместе. Не было никаких препятствий для совместной работы над этим проектом".

Принцип работы микрофлюидной модели

Микрофлюидные модели - это невероятно маленькие - размером около миллиметра - трехмерные устройства, которые можно использовать для контроля или имитации среды внутри организма. В данном случае внутри устройства помещается небольшой кусочек здоровой ткани кровеносного сосуда. После этого исследователи могут вводить в модель определенные химические вещества и механические силы, чтобы имитировать условия в организме. Затем они инициируют мутацию PIK3CA.

Чтобы подтвердить, точно ли их модель отображает проявление болезни, команда должна была провести исследование эффективности лекарств.

В настоящее время для лечения сосудистых мальформаций используются два препарата: рапамицин и алпелисиб. Последний является недавно открытым специфическим ингибитором PIK3CA, который недавно был одобрен FDA для лечения некоторых видов рака молочной железы и спектра перерождения, связанного с PIK3CA. На данный момент доклинические исследования на мышиных моделях и у пациентов показали, что алпелисиб более эффективен в устранении дефектов сосудистых мальформаций.

После выбора двух препаратов Полачек и Эйв применили лечение на своих устройствах. Исследование прошло успешно.

"Раньше кровеносный сосуд был действительно расширенным и большим", - сказал Аве, который был первым автором исследования. "С помощью лечения лекарство смогло уменьшить его и, более или менее, вернуть ему нормальную форму и функцию. Мы были очень рады, что смогли воспроизвести некоторые результаты in vitro с помощью созданной нами модели".

В дальнейшем Аве и Полачек намерены воспроизвести полученные результаты в тканях пациентов с сосудистыми мальформациями, особенно тех, у кого нет мутации PIK3CA или нет четкой генетической информации. Теперь их модель может быть использована для оценки новых лекарств или для проведения исследований синергизма лекарств.
Множество путей для будущих исследований

Теперь, когда они знают, что их модель работает, Вен и Полачек планируют использовать свою модель для изучения одного из аспектов мутации, называемого временной динамикой, а также того, как мутация влияет на пороки развития лимфатической ткани.

Болезнь изначально начинается с отдельной клетки, которая приобретает мутацию PIK3CA. Затем, подобно цепной реакции, последствия мутации в одной клетке распространяются на окружающие клетки до тех пор, пока порок не сформируется полностью. В настоящее время лаборатория не может имитировать этот естественный процесс.

Однако Вен уже работает над новым, отличным подходом к созданию микрофлюидной модели. Она стремится создать платформу, которая позволит им начинать со здоровых клеток, а затем "включать" мутацию и наблюдать за ее развитием в интересующей их ткани. В конечном итоге это поможет им понять, как мутация способна влиять на другие клетки и перемещаться в пространстве.

Сосудистые мальформации могут также возникать в лимфатической ткани. В отличие от кровеносных сосудов, лимфатические сосуды обязаны перерабатывать избыточную жидкость по всему организму и выступают в качестве магистрали, по которой иммунные клетки могут добраться до очагов инфекции. Очень мало известно о базовой клеточной биологии эндотелиальных клеток лимфатических сосудов, поэтому Полачек надеется провести исследование, аналогичное его последнему.

"Результаты немного отличаются, потому что функция лимфатических сосудов отличается от кровеносных", - говорит Полачек. "Сравнивая и сопоставляя то, что происходит на стороне крови и на стороне лимфы, мы также сможем узнать кое-что о базовой биологии этих двух типов тканей".