El equipo de investigación combina la bioimpresión 3D y el modelado por computadora para examinar la propagación del cáncer en los vasos sanguíneos
Los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore y la Universidad de Duke combinaron la bioimpresión 3D y los modelos de flujo computacional para analizar la física detrás del comportamiento de las células tumorales circulantes y la unión de las células a el endotelio vascular, la capa de células que reviste la superficie interior de los vasos sanguíneos. Crédito: Claire Robertson/LLNL
Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) han emparejado la vasculatura cerebral humana viva impresa en 3D con simulaciones de flujo computacional avanzadas para comprender mejor la unión de las células tumorales a los vasos sanguíneos, el primer paso en el tumor secundario formación durante la metástasis del cáncer. El enfoque único, desarrollado con colaboradores externos, sienta las bases para desarrollar una capacidad predictiva que pueda ayudar a los médicos e investigadores a anticipar la propagación del cáncer en pacientes individuales, según los investigadores del LLNL.
El estudio, publicado hoy en línea en la revista Science Advances, describe un nuevo enfoque para entrenar modelos computacionales en procesos biológicos y proporciona información sobre cómo y por qué las células cancerosas hacen metástasis en ciertas áreas de la vasculatura, informaron los investigadores.
El equipo, que incluye a científicos de la Universidad de Duke, combinó bioingeniería y computación para analizar la física detrás del comportamiento de las células tumorales circulantes (CTC) y la unión de las células al endotelio vascular, la capa de células que recubre la superficie interior de la sangre. vasos.
Las células tumorales tienden a escapar de un tumor primario y viajar a través de la vasculatura, donde finalmente se adhieren a la pared de un vaso, pasan a través del endotelio hacia el tejido y crecen como una semilla en el suelo, generalmente en como bifurcaciones en los vasos sanguíneos, explicó la ingeniera biomédica del LLNL Mónica Moya, investigadora principal del estudio e investigadora principal del dispositivo de vasculatura bioimpresa del LLNL.
Mientras investiga Aunque se ha hecho mucho sobre lo que atrae los tumores a ciertas áreas, se sabe menos sobre la contribución de la física en las metástasis del cáncer, porque los procesos son extremadamente difíciles de replicar en el laboratorio, dijo Moya. Por lo general, los científicos utilizan modelos animales, lo que hace que la visualización y las mediciones en tiempo real de la propagación de las células tumorales circulantes sean complicadas y menos relevantes para la biología humana. Sin embargo, el dispositivo de vasculatura impreso en 3D de LLNL es muy adecuado para abordar la física involucrada en la propagación del cáncer a través de la metástasis porque los investigadores pueden controlar la biología, la dinámica de fluidos y la geometría de la vasculatura y realizar mediciones en tiempo real del flujo vascular real y cómo afecta a las células tumorales circulantes.
«El modelado computacional es definitivamente una herramienta útil, pero aún necesita compararlo con algo real», dijo Moya. «Con este enfoque, podemos hacer que la biología sea tan simple y limpia como debe ser para validar los modelos, y podemos aumentar la complejidad, tanto en la biología como en el modelo computacional. La física es importante en biología, y este documento realmente establece el marco de cómo puede usar estos modelos in vitro, combinados con simulaciones, para separar la contribución de la biología y la física y realmente aportar una fuerza al campo que ha estado faltando».
Para crear En el sistema in vitro, Moya y su equipo imprimieron vasos en 3D a partir de células endoteliales cerebrales humanas y las sometieron a condiciones de flujo en la plataforma fluídica. Después de que las células cubrieron por completo los canales del dispositivo, se alinearon dentro de los vasos y después de aproximadamente una semana, los investigadores inyectaron una línea de células de cáncer de mama en el dispositivo para ver cómo y dónde las células tumorales comenzaron a hacer metástasis (o atascarse) dentro del cerebro recién formado. vasculatura Después de que las células tumorales circularan a velocidades de flujo fisiológicas, Claire Robertson, becaria de Lawrence que trabaja en el desarrollo de modelos de cáncer de mama temprano, mapeó más de 6000 células que se adhirieron a las paredes de los vasos y las comparó con la biofísica local. Luego, estos resultados experimentales se compararon con simulaciones computacionales en 3D que replican geometrías recopiladas de los mapas en 3D para reproducir la geometría exacta de los vasos bioimpresos, lo que permite un análisis de dinámica de fluidos de alta precisión de las condiciones de unión, dijeron los investigadores.
«Adaptar este proceso avanzado de bioimpresión para diseñar una vasculatura cerebral humana perfusible y funcional fue extremadamente desafiante, sin embargo, ahora tenemos un buen manejo de la técnica y potencialmente podemos fabricar una amplia variedad de construcciones de tejido humano vivo», dijo el autor principal y la investigación de LLNL. ingeniero de personal William «Rick» Hynes. «Usando este enfoque, pudimos probar, observar y medir un fenómeno biológico que antes era imposible, y continuaremos iterando en estos hallazgos para arrojar luz sobre cómo y cuándo las células tumorales circulantes eligen sus objetivos in vivo. Al emparejar nuestro plataforma diseñada con modelado computacional, podemos interrogar directamente el comportamiento de las células metastásicas y las reglas que las gobiernan mucho más rápido que a través de la experimentación sola».
Para el componente computacional de la investigación, Moya y su equipo trabajaron con Amanda Randles, ex becaria de Lawrence en LLNL, ahora profesora asistente de ingeniería biomédica en la Universidad de Duke. El equipo de Randles usó un algoritmo llamado HARVEY, desarrollado por Randles, para replicar el flujo sanguíneo y las células cancerosas, validando el código en microvasos e introduciendo células cancerosas explícitas modeladas en la geometría. El código se desarrolló y optimizó para la supercomputadora Summit en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, pero las simulaciones se completaron en LLNL y en Duke.
Usando HARVEY, los investigadores pudieron capturar tasas de flujo que serían difíciles de hacer solo mediante dispositivos in vitro, lo que permite a los investigadores «desactivar» parámetros específicos que no serían posibles en los experimentos, como la elasticidad de una célula, la cantidad de receptores celulares o el perfil de flujo, dijo Randles. Con el enfoque, los investigadores determinaron que la tensión de cizallamiento de la pared es importante para determinar la adhesión celular a las paredes de los vasos, pero no gobierna únicamente el proceso de unión del tumor. Las áreas donde las células tumorales circulantes se atascaron no se explicaron por completo solo con los patrones de flujo sanguíneo, lo que sugiere que el flujo podría activar las células endoteliales y contribuir al lugar donde se adhieren las células tumorales circulantes, dijeron los investigadores.
La vasculatura viva bioimpresa en LLNL fue esencial para validar los modelos informáticos, dijo Randles, porque permite un entorno controlado donde factores como la geometría pueden replicarse con precisión.
«La biología es compleja», dijo Randles. «Estamos empezando a acercarnos a imitar la biología real de lo que está viendo en la vasculatura, pero haciéndolo paso a paso donde todo está controlado, sabemos cuáles son las propiedades materiales de las paredes, la geometría que hemos configurado y el flujo que está pasando. Podemos comenzar a replicar lo que realmente está sucediendo en el cuerpo, donde tenemos un banco de pruebas para comprender cómo interactúan las células cancerosas y por qué es posible que se produzcan metástasis donde usted lo hace».
Moya dijo que la combinación de dispositivos bioimpresos in vitro con modelos informáticos podría permitir a los investigadores desvincular las contribuciones biológicas y físicas que impulsan la siembra metastásica. Dichas simulaciones podrían usarse para predecir ubicaciones donde se propagarán los tumores, lo que permitiría la detección selectiva de pacientes de alto riesgo y la intervención terapéutica dirigida a las áreas más vulnerables. Los médicos podrían tomar resonancias magnéticas de los pacientes y usarlas para simular dónde es probable que se atasquen las células tumorales circulantes, y los modelos podrían decirles a los médicos en qué áreas enfocar su atención para mejorar en gran medida la eficacia de los tratamientos, añadió Moya.
«La mayoría de la gente realmente no piensa en usar estas camas in vitro como una forma de hacer crecer la parte computacional», dijo Moya. «Estas son dos tecnologías realmente poderosas. Es algo para lo que estamos especialmente capacitados porque tenemos acceso a supercomputadoras. Hay más en estas construcciones de tejido que solo estudios in vitro glorificados; en realidad, puede obtener información útil y comenzar a reconocer el papel de la física en biología».
El equipo del LLNL, dirigido por Moya, ha presentado una subvención para un proyecto de seguimiento que examinará cómo los patrones de flujo, la geometría vascular, la mecánica de las células tumorales y la mecánica de los tejidos influyen en la cascada metastásica, Moya dijo. Están trabajando para desarrollar formas de capturar interacciones celulares en geometrías más grandes, lo que requerirá modelos de mayor resolución y el estudio del comportamiento del flujo de diferentes tipos de células cancerosas. Los investigadores también están buscando financiamiento para apoyar esfuerzos adicionales de bioimpresión, como un proyecto dirigido por Hynes que se enfoca en desarrollar técnicas novedosas para imprimir células microbianas vivas para una amplia variedad de aplicaciones, que van desde la biofabricación hasta materiales inteligentes.
Moya quiere aumentar la complejidad de la vasculatura bioimpresa para examinar más a fondo el papel de la biofísica en la progresión de la enfermedad mortal. Además, un equipo separado dirigido por Hynes y Moya está buscando modelar el flujo sanguíneo en aneurismas cerebrales bioimpresos para probar intervenciones quirúrgicas, así como continuar trabajando con el grupo de Randles en Duke para simular la formación de coágulos sanguíneos vasculares en respuesta a tratamientos de aneurismas.
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Uso de modelos e impresión 3D para estudiar defectos cardíacos comunes Más información: WF Hynes et al. Examen del comportamiento metastásico dentro de la vasculatura bioimpresa en 3D para la validación de un modelo de flujo computacional en 3D, Science Advances (2020). DOI: 10.1126/sciadv.abb3308 Información de la revista: Science Advances
Proporcionado por el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore Cita: El equipo de investigación empareja la bioimpresión 3D y el modelado por computadora para examinar propagación del cáncer en los vasos sanguíneos (27 de agosto de 2020) recuperado el 31 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2020-08-team-pairs-d-bioprinting-cancer.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.