Zellgeplapper erzählt die Geschichte einer arteriellen Verdickung

Arterien können aufgrund von Bluthochdruck dicker werden. Die Ursache dieser Verdickung ist jedoch unklar. TU/e-Forscher haben zusammen mit Kollegen vom Trinity College Dublin in Irland ein neues Computermodell entwickelt, um die arterielle Verdickung im Detail zu untersuchen. Das Modell zeigt, dass sowohl mechanische Veränderungen in der Arterie durch erhöhten Blutdruck als auch Zellkommunikation mit sogenannten vaskulären glatten Muskelzellen entscheidend für die Arterienverdickung sein könnten. Das gleiche Modell könnte verwendet werden, um zukünftige Ansätze für therapeutische und regenerative Behandlungen zu leiten.

Das Wachstum und die Veränderung der Arterien im Körper hängen von vielen Faktoren ab, wie zum Beispiel dem Blutdruck. Es ist bekannt, dass Arterien aufgrund eines höheren Blutdrucks dicker werden.

„Wenn der Blutdruck steigt, dehnt sich die Arterie mehr aus und erfährt höhere Kräfte. Dies führt zu Veränderungen in der Mechanik der Arterie, und als Reaktion darauf wird die Arterie dicker“, sagt Jordy van Asten, Ph.D. wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung Biomedizinische Technik und dem Institut für Komplexe Molekulare Systeme (ICMS). „Aber auch andere Faktoren könnten wichtig sein, etwa wie die Arterienzellen miteinander kommunizieren.“

Um die der Arterienverdickung zugrunde liegenden Mechanismen besser zu verstehen, entwickelte van Asten zusammen mit anderen TU/e-Forschern, Co-Erstautor Tommaso Ristori, Frank Baaijens, Cecilia Sahlgren und Sandra Loerakker sowie Forschern des Trinity College in Irland einen Computer Modell, um zu untersuchen, wie die Kombination aus Dehnung der Arterie und Zellsignalisierung die Arterienverdickung beeinflusst.

Die große mechanische Herausforderung

Eine große Herausforderung für die Forscher bei der Entwicklung des Modells war die Erfassung der Verformungen einer Arterie bei Bluthochdruck.

„Arterien werden vorgedehnt, das heißt, selbst wenn die Belastung durch Bluthochdruck wegfällt, sind die Arterien noch nicht vollständig entspannt“, stellt van Asten fest. „Dies in das Modell einzubeziehen war schwierig, und wir haben dies erreicht, indem wir eine Finite-Elemente-Analyse der Dehnungen in gesunden In-vivo- oder lebenden einheimischen Arterien verwendet haben.“

Außerdem mussten die Forscher die richtigen Werte der Materialeigenschaften des Arteriengewebes schätzen, die das mechanische Verhalten am besten erfassen. „Um zu diesen Eigenschaften zu gelangen, war eine Kombination aus experimentellen Annahmen und Anpassungen aus früheren experimentellen Studien erforderlich“, sagt van Asten.

Bedeutung des Zellengeplappers

Die Erfassung des richtigen mechanischen Verhaltens der Arterie ist nur ein Teil des Rechenpuzzles. Der andere Teil bezieht sich darauf, wie die Zell-Zell-Signalübertragung durch die mechanischen Veränderungen beeinflusst wird und wie dies das Wachstum und die Umgestaltung der Arterie antreiben könnte. Daher untersuchten van Asten, Ristori und ihre Kollegen den Notch-Zell-Zell-Signalweg oder Kommunikationsweg zwischen glatten Gefäßmuskelzellen (VSMCs), von dem bekannt ist, dass er eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung und Stabilität von Gefäßgewebe spielt. Und um dies zu modellieren, verwendeten die Forscher ein sogenanntes agentenbasiertes Modell, das zuvor von Sandra Loerakker und Mitarbeitern in der Vergangenheit entwickelt wurde.

„Anhand des Modells haben wir gelernt, wie dieser Notch-Signalweg an der Arterienverdickung durch erhöhten Blutdruck beteiligt sein könnte“, sagt van Asten. „Wir haben gezeigt, dass ein höherer Blutdruck das Geschwätz unter VSMCs verringert, von dem vorhergesagt wurde, dass es ihr Verhalten ändert, und folglich gibt es weniger Wachstum oder Verdickung der Arterie.“

Neben Bluthochdruck könnte diese Erkenntnis über die Zell-Zell-Kommunikation (und das Arterienwachstum) auf andere Forschungsgebiete wie das Tissue Engineering übertragen werden. Laut van Asten „versuchen viele Forscher, lebendes, funktionelles Gewebe (wie Arterien) zu schaffen, das verwendet werden könnte, um erkranktes Gewebe im Körper zu ersetzen.“

Zukunftshoffnungen

Beim Tissue Engineering wachsen Gewebe im Laufe der Zeit, entweder im Labor oder im Körper. Eine zusätzliche Kontrolle über den Wachstumsprozess würde es den Forschern ermöglichen, präzisere Ersatzgewebe zu züchten, und der Schlüssel zu all dem könnte Zellrattern sein. „Unsere neuen Erkenntnisse zur Zell-Zell-Kommunikation in Gewebe, während es wächst, könnten sich als entscheidend für zukünftige Gewebewachstumsstudien erweisen“, sagt van Asten.

Und van Asten hat große Ambitionen für die Zukunft des Tissue Engineering. „Ich hoffe, dass das Tissue Engineering weiter voranschreitet, sodass wir zuverlässig Ersatzgewebe, vielleicht sogar Organe, für Patienten mit Herz-Kreislauf-Erkrankungen herstellen können. Diese Forschung ist nur ein kleiner Teil des Puzzles, und die Aussichten, wie sie verwendet werden, sind spannend und für mich persönlich motivierend.“

Es wird jedoch noch einige Jahre dauern, bis die Erkenntnisse von van Asten und seinen Kollegen auf die Züchtung neuer Gewebe angewendet werden können. Van Asten: „Zunächst müssen wir Experimente durchführen und prüfen, ob dies ein praktikabler Weg ist, Arterien wachsen zu lassen, und ob die resultierenden Arterien für Patienten sicher sind.“

Die Forschung wurde in veröffentlicht Zeitschrift für das mechanische Verhalten biomedizinischer Materialien.