Cipuri vii care reproduc realitatea vaselor sanguine: cercetători de la Texas A&M construiesc modele cu forme complexe pentru studierea bolilor vasculare

Sursa foto: Sciencedaily

Vasele sanguine umane nu sunt tuburi drepte și uniforme; ele se îndoaie, se ramifică, se îngustează și se dilată, generând traiectorii ale sângelui cu forme și forțe variabile care influențează sănătatea endoteliului vascular. O echipă din Departamentul de Inginerie Biomedicală al Universității Texas A&M a dezvoltat un nou tip de „vessel-chip” viu, capabil să reproducă această complexitate arhitecturală — de la anevrisme la stenoze — și să permită studiul mai realist al hemodinamicii și al modului în care apar bolile vasculare.

Un nou instrument pentru cercetarea bolilor vasculare

Modelele clasice utilizate în laborator au tratat de mult vasele sanguine ca pe niște conducte drepte, uniforme. Deși utile, aceste modele simplificate nu oglindesc mediul complex în care se dezvoltă multe afecțiuni vasculare. Echipa condusă de Dr. Abhishek Jain a creat o platformă personalizabilă de vessel-chip care reproduce variațiile structurale reale ale vaselor, oferind astfel o fereastră experimentală către locurile în care încep, în mod tipic, numeroase procese patologice.

Vessel-chip-urile sunt dispozitive microfluidice concepute pentru a imita la scară mică vasele sanguine umane. Ele pot fi adaptate la particularitățile pacientului și constituie o metodă non-animală pentru studierea fluxului sanguin și evaluarea tratamentelor potențiale. Noua abordare dezvoltată la Texas A&M integrează aceste avantaje cu o capacitate sporită de a reproduce forme arhitecturale complexe: ramificații, dilatări bruște caracteristice anevrismelor, sau îngustări periculoase — stenoze — care modifică în mod dramatic profilul de curgere.

Ce a proiectat Jennifer Lee

Proiectul pentru acest vessel-chip avansat a fost realizat de Jennifer Lee, studentă la master în inginerie biomedicală în laboratorul condus de Dr. Abhishek Jain. Lee a conceput un design care poate reproduce gama largă de forme observate în vasele reale și a demonstrat cum aceste diferențe arhitecturale schimbă semnificativ tiparele de curgere ale sângelui și forțele de forfecare (shear stress) care acționează asupra căptușelii endoteliale.

„Există vase ramificate, anevrisme care prezintă o expansiune bruscă și, apoi, stenoze care restricționează vasul. Toate aceste tipuri diferite de vase determină modificări semnificative ale modelului de curgere, iar interiorul vasului este afectat de nivelul forfecării cauzate de aceste tipare de flux. Aceasta este ceea ce am vrut să modelăm,” a explicat Lee, sintetizând motivația tehnică din spatele proiectului.

Progrese dincolo de proiectele cu vase drepte

Munca lui Lee se bazează pe cercetări anterioare din același laborator. Câțiva ani înainte, Dr. Tanmay Mathur, fost coleg doctorand și mentor al proiectului, dezvoltase un design de vessel-chip cu vas drept. Noua generație dezvoltată de Lee extinde acea bază, introducând arhitecturi care capturează heterogenitatea reală a vaselor umane.

Laboratorul Bioinspired Translational Microsystems, condus de Jain — care este profesor asociat și titular al poziției Barbara and Ralph Cox ’53 faculty fellow în inginerie biomedicală — a făcut trecerea de la modele simplificate la structuri vii mai sofisticate. Echipa nu numai că a creat geometrii complexe, dar a integrat și materiale biologice celulare în interiorul acestor structuri, făcându-le „vii” în sensul că presența țesuturilor și celulelor care căptușesc canalele reproduce condițiile fiziologice reale.

„Putem acum începe să învățăm despre bolile vasculare în feluri în care nu am reușit până acum,” a declarat Jain. „Nu doar că poți construi structuri complexe, poți introduce material celular real și țesuturi în ele, făcându-le vii. Acestea sunt locurile unde tind să se dezvolte bolile vasculare, deci înțelegerea lor este critică.”

De la cercetare de licență la știință publicată

Parcursul lui Jennifer Lee spre realizarea acestui proiect pornește din perioada în care era studentă de licență cu onoruri, în căutare de experiență practicã în cercetare. La început, Lee nu avea cunoștințe aprofundate despre tehnologia organelor pe cip, dar interesul pentru impactul acestei tehnologii asupra cercetării medicale a determinat-o să continue și să avanseze proiectul prin programul „fast-track” care o conducea spre master.

Jain a subliniat faptul că programul fast-track le oferă studenților oportunitatea de a se angaja în proiecte cu impact ridicat și risc științific, nu doar în proiecte didactice, și de a le urma până la rezultatul publicabil. „Jennifer a demonstrat perseverență, curiozitate și creativitate și a început să preia proiecte de cercetare foarte repede. Programul nostru fast-track permite studenților ca Jennifer să întreprindă cercetări de tip high-impact și să ducă proiectele până la publicare,” a spus el.

Studiul care descrie acest vas arhitecturat pe cip a fost publicat în revista Lab on a Chip și va figura pe coperta numărului din mai 2025. Publicația include detalii experimentale și demonstrații ale capacității platformei de a reproduce hemodinamici fiziologice și heterogene, precum și funcția endotelială asociată acestor stări arhitecturale diverse.

Extinderea complexității vaselor vii pe cip

Deși versiunea actuală a vessel-chip-ului creat de Lee reproduce arhitecturi complexe și conține celule endoteliale — componentele care căptușesc interiorul vasului — echipa intenționează să ajungă mai departe. Următoarele iterații ar putea include tipuri celulare suplimentare, ceea ce ar permite studierea interacțiunilor între diferitele țesuturi și cu fluxul sanguin într-un mod mai cuprinzător.

Jain a descris această direcție ca o progresie către ceea ce el numește „a patra dimensionalitate” a organelor pe cip: nu doar celulele și fluxul, ci interacțiunea dintre celule și flux în stări arhitecturale mai complexe. Acest concept sugerează o evoluție a domeniului, în care se explorează nu numai componentele statice, ci și dinamica lor în configurații spațiale sofisticate.

Prin integrarea unor populații celulare mai variate, cercetătorii speră să obțină modele care să reproducă mai fidel micro-mediile vasculare din organism, inclusiv contribuția celulelor musculare netede, a fibroblastelor sau a componentelor matricii extracelulare la răspunsul vascular. Astfel de modele ar putea oferi indicii despre modul în care diferite tipuri celulare contribuie la dezvoltarea anevrismelor, a stenozei sau a altor modificări patologice ale vaselor.

Implicarea pentru testarea terapiei și studiile translaționale

Prin lecțiile pe care le pot furniza în privința modului în care arhitectura vasculară influențează hemodinamica și funcția endotelială, noile vessel-chip-uri pot deveni platforme puternice pentru testarea medicamentelor. Comparativ cu modelele tradiționale, aceste cipuri permit studierea interacțiunilor locale între flux și celule, oferind surse de date mai reprezentative pentru evaluarea eficacității și siguranței terapiilor experimentale.

Mai mult, capacitatea de personalizare a dispozitivelor aduce posibilitatea dezvoltării unor modele specifice pacientului, utile în investigarea variabilității individuale în răspunsul la tratament. Acest aspect deschide calea către studii translaționale care pot conecta descoperiri de laborator cu strategii terapeutice mai adecvate clinic.

Dezvoltarea abilităților dincolo de laborator

Pe lângă experiența tehnică, lucrul în laboratorul condus de Jain a oferit studenților oportunități de dezvoltare personală și profesională. Jennifer Lee a subliniat valoarea colaborării cu colegii, doctoranzii și cercetătorii postdoctorali, care îi permit să exerseze abilități precum comunicarea, munca în echipă, etica muncii și rezolvarea problemelor într-un cadru real de cercetare.

„Este un mediu foarte bun pentru a interacționa nu doar cu colegii, dar și cu doctoranzi și postdoctoranzi,” a afirmat Lee. „Poți învăța cum să lucrezi în echipă și cum să comunici, să deprinzi etica muncii și să încerci diferite abordări. Cred că este o experiență foarte valoroasă pe care studenții o au la dispoziție. Avem laboratoare de cercetare cu un corp profesoral excelent.”

Sprijin instituțional și finanțare

Proiectul a beneficiat de susținere din partea mai multor organizații majore. Finanțarea și sprijinul au provenit de la: Programul de Cercetare Medicală al Armatei SUA, NASA, Autoritatea Biomedică pentru Cercetare și Dezvoltare Avansată (BARDA), Institutul Național de Sănătate (NIH), Administrația pentru Alimente și Medicamente a SUA (FDA), Fundația Națională pentru Știință (NSF) și Fondurile de Investiții pentru Translație din Biroul de Inovare al Universității Texas A&M.

Acest spectru larg de finanțatori reflectă relevanța atât științifică, cât și aplicativă a platformei, precum și interesul pentru dezvoltarea de instrumente experimentale care pot accelera identificarea și testarea strategiilor terapeutice pentru afecțiuni vasculare.

Publicare și referință științifică

Articolul care descrie metodologia și descoperirile echipei a fost publicat sub titlul „Vascular architecture-on-chip: engineering complex blood vessels for reproducing physiological and heterogeneous hemodynamics and endothelial function” în jurnalul Lab on a Chip, volumul 25, numărul 11, pagina 2620, în 2025. Autorii articolelor sunt Jennifer D. Lee, Ankit Kumar, Tanmay Mathur și Abhishek Jain. Detaliile de referință includ DOI: 10.1039/D4LC00968A.

Pentru citirea lucrării și accesarea referinței științifice: DOI 10.1039/D4LC00968A.

Perspective și pași următori

Echipa intenționează să continue rafinarea platformei, inclusiv prin introducerea unor populații celulare adiționale și explorarea mai sistematică a interacțiunii dintre arhitectura vasculară și fenomenele hemodinamice patologice. Extinderea modelului spre o complexitate mai mare promite să ofere o înțelegere mai nuanțată a locurilor în care apar leziunile vasculare și a mecanismelor care determină progresia bolilor.

În mod particular, investigarea modului în care diferenitele geometrii vasculare influențează distribuția forțelor de forfecare asupra endoteliului și cum aceste forțe reglează răspunsul celular rămâne o linie de cercetare centrală pentru laborator. Această abordare combinată — a geometriei, a populațiilor celulare și a fluxului — deschide perspective noi pentru identificarea markerilor de risc și a țintelor terapeutice.

Construirea unor vessel-chip-uri care să reproducă fidel stări ar putea, de asemenea, să reducă dependența de modelele animale în fazele inițiale de testare și să grăbească transferul către aplicații clinice prin modele mai predictive ale răspunsului uman.

Prin integrarea cunoștințelor din inginerie, biologie celulară și microfluidică, proiectele de acest tip demonstrează modul în care instrumentele tehnologice pot ilumina procese biologice complexe și pot contribui la dezvoltarea de strategii terapeutice mai bine fundamentate.

Studiul și rezumatul său au fost puse la dispoziție în materialele oferite de Universitatea Texas A&M; pentru detalii suplimentare și pentru a consulta documentele originale ale cercetării, accesul la sursa principală este disponibil aici: ScienceDaily — articolele Universității Texas A&M.