Naša tela se sastoje od 60.000 milja složenih cevi koje igraju vitalnu ulogu u transportu hranljivih materija kroz naše telo, odlaganju otpada i snabdevanju naših organa svežim kiseonikom i krvlju.
Vaskularne malformacije (VM) su grupa retkih genetskih poremećaja koji uzrokuju abnormalno formiranje vena, arterija, kapilara ili limfnih sudova pri rođenju. VM mogu da ometaju rad naših dragocenih cevi izazivajući blokade, lošu drenažu i stvaranje cista i zapetljavanja.
Da bi se odgovorilo na potrebu za daljim proučavanjem, dr Villiam Polaček, docent na Zajedničkom odeljenju za biomedicinsko inženjerstvo UNC-NCSU i Odeljenju za ćelijsku biologiju i fiziologiju, i njegov tim koji se proteže širom Medicinskog fakulteta UNC, su razvio model koji oponaša VM koji su specifično uzrokovani mutacijom PIK3CA — gena koji je umešan u više tipova limfnih, kapilarnih i venskih malformacija.
Njihov rad je objavljen u časopisu Science Advances.
„Postoji veliki broj ‘problema sa piletinom i jajima’ mutacije PIK3CA“, rekao je Polaček. „Da li to uzrokuje da nešto drugo pođe po zlu? Ili postoji nešto drugo u okruženju što uzrokuje da mutacija ima ozbiljnije posledice? Rad u mnogo kontrolisanijem okruženju, kao što je mikrofluidni model, omogućava nam da izolujemo i shvatimo kako genetika bolesti se odnosi na ono što se dešava u ćelijama.“
VM su uzrokovane mutacijama u genima koji usmeravaju razvoj vaskulature u celom telu. Fosfatidilinozitol-4,5-bisfosfat 3-kinaza katalitička podjedinica alfa (PIK3CA) je jedan od tih gena. To je metaforično „žarište“ za mutacije koje doprinose malformacijama manjih krvnih sudova, uzrokujući da se krv skuplja ispod kože.
Ova specifična vrsta vaskularnih malformacija je manje proučavana od drugih i obično se otkriva pri rođenju. Ove bolesti počinju kako se beba razvija. Budući da se u ovom trenutku u razvoju deteta dešavaju brojne promene, istraživačima to može biti težak uslov za proučavanje.
Julie Blatt, MD, profesor pedijatrijske hematologije-onkologije na Odeljenju za pedijatriju UNC, uvidela je potrebu za novim pristupom modeliranju bolesti, koja pogađa većinu njenih pacijenata.
Dr Blatt, koji je zainteresovan za prenamenu lekova protiv raka za lečenje pedijatrijskih pacijenata sa vaskularnim anomalijama, podigao je telefon i pozvao Polačeka, koji je biomedicinski inženjer po zanimanju, da pita da li može da napravi mikrofluidni model PIK3CA 0 -specifične vaskularne malformacije.
Otprilike u isto vreme, Ven Iih Av, Ph.D., radila je na svom postdoktorskom stepenu na UNC Catalist, istraživačkoj grupi fokusiranoj na razumevanje retkih bolesti u Eshelman School of Pharmaci. Na kraju, Av je počela da koristi svoju osnovnu naučnu stručnost u laboratoriji Polaček na drugom projektu.
Pored Blata i Av, laboratorija sarađuje sa Bojsom Grifitom, dr. na Departmanu za matematiku i program računarske medicine, koji pomaže u analizi struktura mreža.
„Svi ti delovi, mislim da su bili neophodni da se posao završi“, rekao je Polaček. „To govori nešto o UNC-u jer je bilo više koledža i odeljenja koji su radili zajedno. Nije bilo nikakvih prepreka za zajednički rad na ovom projektu.“
Mikrofluidni modeli su neverovatno mali — veličine milimetra — trodimenzionalni uređaji koji se mogu koristiti za kontrolu ili simulaciju okoline unutar tela. U ovom slučaju, mali komad zdravog tkiva krvnih sudova je centriran unutar uređaja. Odatle, istraživači mogu da uvedu specifične hemikalije i mehaničke sile u model kako bi simulirali uslove tela. Zatim pokreću mutaciju PIK3CA.
Da bi potvrdio da li njihov model tačno prikazuje manifestaciju bolesti ili ne, tim je morao da sprovede studiju efikasnosti lekova.
Postoje dva leka koji se trenutno koriste za lečenje vaskularnih malformacija: rapamicin i alpelisib. Potonji je novootkriveni PIK3CA-specifični inhibitor koji je nedavno odobrila FDA za lečenje određenih vrsta raka dojke i spektra prekomernog rasta povezanog sa PIK3CA. Do sada su pretkliničke studije na modelima miševa i na pacijentima pokazale da je alpelisib efikasniji u poništavanju vaskularnih malformacija.
Nakon što su odabrali dva leka, Polaček i Ave primenili su tretman na svoje uređaje. Studija je bila uspešna.
„Krvni sud je nekada bio zaista proširen i veliki“, rekao je Ave, koji je bio prvi autor studije. „Sa tretmanom, lek je uspeo da ga smanji i, manje-više, da ga vrati u normalan oblik i funkciju. Bili smo veoma uzbuđeni što smo mogli da repliciramo neke od rezultata in vitro sa modelom koji smo napravili. “
Idući dalje, Ave i Polacheck traže da ponove nalaz u tkivima pacijenata sa vaskularnim malformacijama, posebno onih koji nemaju mutaciju PIK3CA ili nemaju jasne genetske informacije. Njihov model se sada može koristiti za procenu novih lekova ili za izvođenje sinergističkih studija lekova.
Sada kada znaju da njihov model funkcioniše, Ven i Polaček planiraju da koriste svoj model za proučavanje jednog aspekta mutacije koja se zove vremenska dinamika, kao i kako mutacija utiče na malformacije limfnog tkiva.
Bolest u početku počinje sa pojedinačnom ćelijom koja dobija PIK3CA mutaciju. Zatim, slično kao lančana reakcija, efekti mutacije u toj jednoj ćeliji se šire na okolne ćelije dok se malformacija u potpunosti ne formira. Kako njihov model trenutno stoji, laboratorija ne može oponašati taj prirodni proces.
Međutim, Ven već radi na novom i drugačijem pristupu za mikrofluidni model. Ona ima za cilj da stvori platformu koja će im omogućiti da počnu sa zdravim ćelijama, a zatim da „okrenu“ mutaciju i posmatraju kako napreduje kroz tkivo od interesa. Na kraju, to će im pomoći da shvate kako mutacija može da utiče na druge ćelije i da se kreće kroz svemir.
Vaskularne malformacije se takođe mogu javiti u limfnom tkivu. Za razliku od krvnih sudova, limfni sudovi imaju dužnost da recikliraju višak tečnosti u celom telu i deluju kao superput za imune ćelije da dođu do mesta infekcije. Vrlo malo se zna o osnovnoj ćelijskoj biologiji limfnih endotelnih ćelija, tako da se Polaček nada da će uraditi studiju koja je slična njegovoj najnovijoj.
„Izlazi su malo drugačiji jer se funkcija limfnih kanala razlikuje od krvnih sudova“, rekao je Polaček. „Upoređujući i suprotstavljajući ono što se dešava na strani krvi i limfe, takođe ćemo moći da naučimo nešto o osnovnoj biologiji te dve vrste tkiva.“
