血管生成是在活组织中形成分层血管网络的过程。它的复杂性使得在实验室条件下控制血管的生成成为一项极具挑战性的任务。

血管结构工程的一种有前途的方法依赖于微结构生物材料的使用，这种材料可能有助于引导血管生成，因此在全世界范围内得到了广泛的研究，特别是在血管疾病的治疗方面。

近日，波兰科学院物理化学研究所的科学家成功解开了血管组织工程的一个难题，为理解和控制体外萌芽血管生成提供了重要的实验证据。该研究发表在《APL生物工程》杂志上。

血管生成是一个复杂的过程，涉及通过血管分裂和萌芽过程从现有血管形成新血管。血管生成可以发生在身体的任何部位，并且非常复杂，以至于在实验室环境中对其进行控制和/或模拟已成为生物工程的核心挑战之一。

充分了解和控制血管网络的形成可以帮助治疗多种疾病，从创伤损伤的血管再生到转移性癌症的治疗，使受控血管生成成为再生医学的圣杯。

在此基础上，波兰科学院物理化学研究所(ICPPAS)的研究人员使用纤维蛋白凝胶作为支持的组织样材料，对毛细血管网络的萌芽演化进行了一系列实验，并建立了可能的一般动力学原理控制萌芽血管生成。

在这项突破性研究之前，对萌芽微血管网络进化的研究很大程度上基于对培养物中单个或最多几个时间点的分析。尽管这种方法足以估计生长的总体趋势，但它永远无法破译体外微血管进化的不同阶段。

为了揭示控制血管生成动力学的可能规则，人们提出了多种不同复杂程度的理论方法。不幸的是，由于时间分辨实验数据的缺乏，理论预测与实验的直接比较受到限制，因此大多数理论研究仅依赖于后期形态的定性比较。

最近，IPCPAS的研究人员团队及其来自华沙大学理论物理研究所的合作者通过新的实验和定制开发的自动图像分析工具解决了这个难题。在他们的工作中，研究人员证明了提取萌芽微血管网络的详细统计拓扑特征的可能性。

该项目的目标之一是开发更可靠和可重复的基于血管生成的药物测试方法以及血管组织工程的新策略。它是如何工作的?

研究人员分离出发芽的微血管网络，并在严格控制的培养条件下连续14天监测其生长情况。他们记录了一系列形态参数，例如芽的总长度、面积以及各个分支长度或分支角度的统计分布。

根据多个平行实验收集的显微图像，进行大规模统计分析。同时，观察的重点是血管网络形成的动力学，以确定血管生成生长过程的特征。目标是了解血管生成早期阶段的复杂性，包括芽的形成及其分叉，随后形成互连等。

这项工作的第一作者Rojek博士说：“我们认为我们的工作是独一无二的，因为我们根据大量生物数据构建了萌芽血管网络的形成和进化模型。

“到目前为止，大多数结论和规则都是由数学模型提供的，数学模型是一种非常强大的工具，但常常过于简单化，无法重现实际的生物系统。这凸显了实验学家和理论家之间密切合​​作的重要性。”

作者开发了新的图像分析协议，使他们能够以自动方式确定上述参数。

“我们的软件是用Python编程语言编写的，针对处理来自多个实验的大量数据进行了优化。它在实施方面提供了坚实的背景，并提供了快速的计算时间。

“跨越网络整个生命周期的时间分辨数据使我们能够提出控制萌芽微脉管系统拓扑发展的基本规则，”博士补充道。候选人AntoniWrzos和教授。Szymczak领导了数据分析软件的开发。

科学家们通过使用Python编程语言每天跟踪萌芽网络的演化来进行研究，以提供网络拓扑的细节，包括分支角度及其分布。所提出的研究产生了关于典型网络形成阶段的广泛数据库。

特别是，这些阶段包括(i)细胞增殖但不形成芽的初始非活性阶段，(ii)芽伸长和分枝的快速生长阶段，以及(iii)生长速率减慢的最终成熟阶段向下。分析还提供了不同培养基中生长差异的数据，表明添加的血管内皮生长因子对培养细胞行为的影响。

“富集”培养基最重要的作用是更早发芽和增加分枝数量，而分枝生长的线性速率仍然与添加的生长因子无关。IPCPAS研究人员进行的统计形态计量分析还表明，分支角度围绕平均值波动，令人惊讶的是，该平均值似乎接近所谓拉普拉斯生长模型特征的72度“神奇”值，后者通常是用于描述晶体的生长或裂隙岩石的溶解。

这个类比表明，就像在拉普拉斯模型中一样，芽的前进尖端可能倾向于遵循生长因子浓度的局部梯度。

“总的来说，我们的结果由于其高度的统计相关性，可以作为预测模型的基准。未来的研究可能有助于更好地理解外部线索如何影响嵌入内皮种子的生物材料中的血管化，并有助于优化组织修复策略，例如通过正确设计预血管化伤口敷料，”Guzowski博士评论道。

由于血管生成是一个复杂的过程，取决于许多因素，因此在这项工作中，研究人员提供了有助于理解体外血管生成的发现，例如在药物测试分析以及组织工程中。所提出的工作可能是朝着更快、更有效地测试新药和开发个性化医疗迈出的一步。

基于数值分析，拟议的研究有可能提高高通量筛选研究的结果。作者指出数据库开发的重要性，作为识别潜在候选药物以及未来生物工程应用中最关键的步骤之一。除了论证研究的科学性之外，作者还强调了研究中跨学科的重要性。

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