Manipulierte menschliche Kapillaren bieten einen erstaunlichen Einblick, wie rote Blutkörperchen ultrakleine Blutgefäße passieren.
Diese neue Plattform wurde in einer kürzlich durchgeführten Studie verwendet, um herauszufinden, wie eine schwere Malariainfektion dazu führt, dass rote Blutkörperchen in Blutmikrogefäßen stecken bleiben. Während sie sich ansammeln, blockieren die mit Parasiten infizierten roten Blutkörperchen die engsten Blutbahnen im Körper.
Die Art und Weise, wie das 3D-Mikrogefäßmodell mit lebenden Zellen erstellt wurde, und die Erkenntnisse, die dabei halfen, die Mechanismen der Mikrozirkulationsobstruktion durch eine schwere Malariainfektion zu ermitteln, werden in einem Artikel in den aktuellen Ausgaben von Science Advances. berichtet
Forscher der University of Washington, des Seattle Children's Research Institute und des UW Medicine Institute for Stem Cell and Regenerative Medicine führten das Projekt durch.
Die korrespondierenden Autoren der resultierenden Arbeit sind Ying Zheng, außerordentlicher Professor für Bioingenieurwesen, Joseph D. Smith, außerordentlicher Professor für globale Gesundheit und Forscher für Infektionskrankheiten der Seattle Children's, und Cole A. DeForest, Assistenzprofessor für chemische Verfahrenstechnik und Bioingenieurwesen
Das von ihrem Team entwickelte 3D-Kapillarsystem ist vielversprechend für die Erforschung mehrerer anderer Krankheiten, die zu Verstopfungen oder Schäden an menschlichen Kapillaren führen. Dazu gehören Sichelzellenanämie, Diabetes und Herz-Kreislauf-Probleme.
Das System könnte auch ein erster Schritt in Richtung Entwicklung der Mikrozirkulation für Zwecke der regenerativen Medizin sein, z. B. um aus Stammzellen gewonnene organreparierende Patches oder im Labor gezüchtete Organe ausreichend mit Blut zu versorgen.
Kapillaren sind die kleinsten Blutgefäße im menschlichen Körper. Sie sind wichtige Leitungen für die Übertragung von Sauerstoff und Nährstoffen aus dem Blutstrom in das Gewebe im Austausch gegen Kohlendioxid und Abfallprodukte.
Menschliche Kapillaren sind so eng, dass rote Blutkörperchen sie einzeln passieren.
Die Wissenschaftler konnten ihr Kapillarsystem durch eine Art biologischen Druck von 100 Mikrometer großen Gefäßen konstruieren, die in eine Kollagenbasis eingraviert wurden. Die Multiphotonen-Technologie des DeForest-Labors wurde eingesetzt, um die Kanäle zu ätzen und Zellen aus größeren Blutgefäßen zu stören, wodurch sie ermutigt wurden, sich in die Kanäle zu bewegen und Kapillaren zu bilden.
Mit ihrem 3D-konstruierten Mikrogefäß, das einer Sanduhr ähnelt, konnten die Wissenschaftler analysieren, wie rote Blutkörperchen durch enge Engpässe navigieren. Normale rote Blutkörperchen, die wie ein rundes Gummifloß geformt sind, kommen reibungslos durch, indem sie sich verziehen, um wie Pantoffeln, Fallschirme oder Glocken auszusehen. Sie scheinen es irgendwie zu vermeiden, das Innere der Kapillare zu berühren.
Mit Malaria infizierte rote Blutkörperchen sind jedoch steifer und knorriger. Beim Durchqueren des Kapillarbereichs dehnen sie sich nicht sehr stark aus. Sie rollen und taumeln auch. Sowohl ihre Form als auch ihre Bewegung erhöhen das Risiko, an der Kapillare zu haften und eingeklemmt zu werden.
Infizierte Erythrozyten, die den im Blutfluss vorhandenen Kräften begegnen, neigen dazu, mehr in Richtung der Kapillarwand gedrückt zu werden als ihre nicht infizierten Gegenstücke. Dieses Beiseiteschieben erhöht auch die Wahrscheinlichkeit, dass sie hängen bleiben.
Während die meisten normalen roten Blutkörperchen die engsten Regionen des Kapillarmodells problemlos passierten, häufen sich die mit bestimmten Varianten von Malariaparasiten infizierten stetig an. Innerhalb von Minuten können sie die Kapillare stauen und den Blutfluss stoppen, wodurch einige normale rote Blutkörperchen eingeschlossen werden.
Die Forscher führten eine zusätzliche Analyse der möglichen schädlichen Beiträge der Knöpfe durch, die auf mit Malaria infizierten roten Blutkörperchen erscheinen.
Sie kamen zu dem Schluss, dass die dynamischen Kräfte des Blutflusses auf die infizierten Zellen und die durch den Malariaparasiten induzierten Modifikationen in den roten Blutkörperchen möglicherweise eine unabhängige Rolle bei den Ereignissen spielen, die zur Blockierung von Mikrogefäßen führen. So sammeln sich zum Beispiel mehr infizierte Zellen in der Nähe des Kapillarausgangs, wo sich der Blutfluss verlangsamt und die Scherspannungen reduziert werden.
Die Wissenschaftler erwähnten, dass zwei mögliche Mängel ihres menschlichen 3D-Mikrogefäßmodells darin bestehen, dass es von Zelltypen abgeleitet wurde, die aus größeren Blutgefäßen stammen, und dass die Untersuchung der Dynamik einzelner Zellen aufgrund der ungenauen Flusskontrolle eine Herausforderung darstellt.
Sie hoffen, dass dieser grundlegend neue Ansatz zur Untersuchung der Obstruktion von Mikrogefäßen mit Modifikationen bei zukünftigen therapeutischen Entwicklungen für Malaria im Blutstadium, bei der Untersuchung anderer Erkrankungen, die kleine Blutgefäße schädigen könnten, und in der Transfusionsmedizin hilfreich sein wird Forschung zu Blutprodukten.
Zu den weiteren Wissenschaftlern des Teams gehörten Christopher Arakawa, Celina Gunnarsson, Caitlin Howard, Maria Bernabeu, Kiet Phong und Eric Yang, alle vom Department of Bioengineering, das gemeinsam der UW School of Medicine und dem College of Engineering angehört.
