Celgebabbel vertelt verhaal van aderverdikking

De groei en verandering van slagaders in het lichaam hangt af van vele factoren, zoals de bloeddruk. Het is bekend dat slagaders dikker worden als gevolg van een hogere bloeddruk.

"Wanneer de bloeddruk stijgt, rekt de slagader meer uit en ondervindt hij hogere krachten. Dit leidt tot veranderingen in de mechanica van de slagader, en als reactie daarop wordt de slagader dikker", zegt Jordy van Asten, promotieonderzoeker bij de faculteit Biomedical Engineering en het Institute for Complex Molecular Systems (ICMS). "Maar misschien zijn ook andere factoren van belang, zoals hoe de slagadercellen met elkaar praten."

Om meer inzicht te krijgen in de mechanismen die ten grondslag liggen aan slagaderverdikking, ontwikkelde van Asten samen met collega TU/e-onderzoekers gedeeld eerste auteur Tommaso Ristori, Frank Baaijens, Cecilia Sahlgren en Sandra Loerakker, en onderzoekers van Trinity College in Ierland een computermodel om te bestuderen hoe de combinatie van uitrekking van de slagader en celcommunicatie invloed heeft op slagaderverdikking.

De belangrijke mechanische uitdaging

Een belangrijke uitdaging voor de onderzoekers bij de ontwikkeling van het model was de noodzaak om de vervormingen van een slagader in het model te vatten wanneer deze aan een hoge bloeddruk wordt blootgesteld.

"Slagaders zijn voorgerekt, wat betekent dat zelfs als de belasting als gevolg van hoge bloeddruk wordt weggenomen, de slagaders zich nog steeds niet in een volledig ontspannen toestand bevinden", merkt Van Asten op. "Het was moeilijk om dit in het model mee te nemen en we hebben dit bereikt door gebruik te maken van een eindige-elementenanalyse van de rek in gezonde in-vivo of levende natieve slagaders."

Ook moesten de onderzoekers de juiste waarden van de materiaaleigenschappen van het slagaderweefsel schatten die het mechanische gedrag het beste weergeven. "Om tot deze eigenschappen te komen was een combinatie nodig van aannames op basis van experimenten en fits uit eerdere experimentele studies", zegt Van Asten.

Het belang van celgebabbel

Het vastleggen van het juiste mechanische gedrag van de slagader is slechts één deel van de computationele puzzel. Het andere deel heeft te maken met hoe de cel-celcommunicatie wordt beïnvloed door de mechanische veranderingen en hoe dit de groei en remodellering van de slagader zou kunnen aansturen. Van Asten, Ristori en hun collega's keken daarom naar de cel-cel Notch-communicatie tussen vasculaire gladde spiercellen (VSMC's), waarvan bekend is dat het een sleutelrol speelt in de manier waarop vasculair weefsel zich ontwikkelt en stabiel blijft. En om dit te modelleren, gebruikten de onderzoekers een zogenaamd agent-based model, eerder ontwikkeld door Sandra Loerakker en medewerkers.

"Met behulp van het model hebben we geleerd hoe deze Notch-communicatieroute betrokken zou kunnen zijn bij de verdikking van slagaders als gevolg van een hogere bloeddruk", zegt van Asten. "We hebben aangetoond dat een hogere bloeddruk het gebabbeltussen de VSMC's vermindert, wat volgens onze voorspellingen zal leiden tot een verandering in hun gedrag en daardoor minder groei of verdikking van de slagader.

Naast hoge bloeddruk zou deze bevinding over cel-cel communicatie (en slagadergroei) ook toegepast kunnen worden op andere onderzoeksterreinen, zoals tissue engineering. Van Asten: "Veel onderzoekers proberen levend, functioneel weefsel (zoals slagaders) te maken dat gebruikt kan worden om ziek weefsel in het lichaam te vervangen."

Hoop voor de toekomst

Bij tissue engineering groeien weefsels in de loop van de tijd, in het lab of in het lichaam. Extra controle over het groeiproces zou onderzoekers in staat stellen om nauwkeuriger vervangend weefsel te kweken, en de sleutel tot dit alles zou het celgebabbel kunnen zijn. "Onze nieuwe bevindingen over cel-cel communicatie in weefsel tijdens groei kunnen van cruciaal belang blijken voor toekomstige studies naar weefselgroei", zegt Van Asten.

En Van Asten heeft grote aspiraties voor weefselmanipulatie in de toekomst. "Ik hoop dat tissue engineering zich blijft ontwikkelen, zodat we op een betrouwbare manier vervangend weefsel, misschien zelfs organen, kunnen maken voor patiënten met hart- en vaatziekten. Dit onderzoek is maar een klein stukje van de puzzel, en de vooruitzichten over hoe het zal worden gebruikt, zijn voor mij persoonlijk boeiend en motiverend."

Het zal echter nog een aantal jaren duren voordat de bevindingen van Van Asten en zijn collega's kunnen worden toegepast om nieuwe weefsels te kweken. Van Asten: "Eerst moeten we experimenten uitvoeren en kijken of dit een haalbare manier is om slagaders te kweken, en of de resulterende slagaders veilig zijn voor patiënten."

Volledig artikel: "Computational analysis of the role of mechanosensitive Notch signaling in arterial adaptation to hypertension", Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, (2022).