Naukowcy z Worcester Polytechnic Institute poszukują mechanizmów prowadzących do niewydolności zastawek serca

Postępująca degeneracja zastawek serca, w szczególności zastawki aortalnej, pozostaje jednym z kluczowych wyzwań współczesnej kardiologii. Zespół badawczy z Worcester Polytechnic Institute podejmuje próbę zintegrowania wiedzy z zakresu biomechaniki, biologii komórkowej oraz genetyki, aby zidentyfikować mechanizmy prowadzące do rozwoju zwapnienia i dysfunkcji zastawek.

W artykule

• Znaczenie lipoproteiny(a) w patogenezie chorób zastawek serca
• Rola sił biomechanicznych w rozwoju zwapnienia zastawki aortalnej
• Założenia wieloośrodkowego projektu finansowanego przez American Heart Association
• Zastosowanie technologii „valve-on-a-chip” w badaniach eksperymentalnych
• Współpraca interdyscyplinarna i wykorzystanie sztucznej inteligencji
• Perspektywy nowych terapii chorób zastawek serca

Tło kliniczne i znaczenie problemu

Dla badaczy zajmujących się chorobami układu sercowo-naczyniowego ścieżka prowadząca do zrozumienia choroby zastawki aortalnej jest złożona i wieloczynnikowa. Wśród najważniejszych czynników ryzyka wymienia się przewlekłe nadciśnienie tętnicze, procesy zapalne oraz podwyższone stężenie lipoproteiny(a) – Lp(a), cząsteczki transportującej cholesterol o właściwościach proaterogennych i prozapalnych.

Zwapniająca choroba zastawki aortalnej (calcific aortic valve disease, CAVD) stanowi najczęstszą patologię zastawek serca. W 2019 roku była ona przyczyną ponad 248 tysięcy zgonów w Stanach Zjednoczonych. Choroba prowadzi do pogrubienia, zwapnienia oraz zwężenia płatków zastawkowych, co skutkuje istotnym ograniczeniem przepływu krwi z lewej komory do aorty.

Projekt badawczy i jego finansowanie

Kristen Billiar, profesor w Department of Biomedical Engineering w Worcester Polytechnic Institute, realizuje czteroletni projekt badawczy o wartości 1 278 213 dolarów, będący częścią większej inicjatywy o budżecie 15 milionów dolarów finansowanej przez American Heart Association. Program ten koncentruje się na wczesnym wykrywaniu i prewencji chorób zastawek serca.

Projekt jest jednym z trzech realizowanych w ramach Center for Integrative Valve Science przy University of Pittsburgh. Ośrodkiem kieruje Cynthia St. Hilaire, a trzeci zespół prowadzi Satoshi Okawa. Wspólnym celem wszystkich zespołów jest analiza wczesnych etapów choroby, progresji oraz potencjalnych strategii terapeutycznych w stenozie aortalnej.

Mechanizmy patofizjologiczne i rola Lp(a)

Podwyższone stężenia Lp(a), uwarunkowane genetycznie, są coraz częściej identyfikowane jako istotny czynnik ryzyka zwapnienia zastawki aortalnej. Jednakże nie wszyscy pacjenci z wysokim poziomem Lp(a) rozwijają chorobę, co wskazuje na udział dodatkowych mechanizmów modulujących, takich jak przewlekły stan zapalny oraz zaburzenia hemodynamiczne.

Kluczowym pytaniem badawczym pozostaje identyfikacja warunków, w których czynniki ryzyka przechodzą w pełnoobjawową chorobę. Szczególną uwagę zwraca się na interakcję pomiędzy środowiskiem biomechanicznym a odpowiedzią komórkową.

Rola biomechaniki w chorobie zastawki aortalnej

Zespół Billiar koncentruje się na analizie wpływu zaburzonego przepływu krwi oraz sił rozciągających działających na tkankę zastawkową. Hipoteza badawcza zakłada, że nieprawidłowe warunki hemodynamiczne mogą „uwrażliwiać” komórki zastawki na działanie Lp(a) i mediatorów zapalnych, inicjując procesy prowadzące do zwapnienia.

Badania prowadzone są w ramach mechanobiologii – dziedziny analizującej wpływ sił mechanicznych na funkcjonowanie komórek i tkanek. W kontekście zastawek serca obejmuje to m.in. analizę naprężeń ścinających, cyklicznego rozciągania oraz turbulentnego przepływu.

Technologia „valve-on-a-chip” jako narzędzie badawcze

W projekcie wykorzystywana jest zaawansowana technologia „valve-on-a-chip”. Polega ona na hodowli ludzkich komórek zastawkowych na elastycznym podłożu żelowym, które może być poddawane kontrolowanemu rozciąganiu oraz ekspozycji na zaburzony przepływ płynu.

Model ten pozwala na odtworzenie warunków fizjologicznych i patologicznych in vitro, umożliwiając precyzyjne badanie interakcji między siłami mechanicznymi a sygnalizacją komórkową. Stanowi to istotny krok w kierunku bardziej realistycznych modeli chorób układu sercowo-naczyniowego.

Interdyscyplinarność i zastosowanie sztucznej inteligencji

Projekt realizowany w WPI stanowi część szerokiej współpracy interdyscyplinarnej. Równolegle prowadzone są badania z zakresu biologii komórkowej oraz analizy genetycznych czynników ryzyka przy użyciu narzędzi sztucznej inteligencji.

Integracja danych biomechanicznych, molekularnych i genetycznych ma umożliwić identyfikację nowych celów terapeutycznych. W przyszłości może to przełożyć się na rozwój terapii ukierunkowanych molekularnie oraz strategii profilaktycznych.

Znaczenie badań i perspektywy kliniczne

Dotychczasowe badania zespołu Billiar obejmowały m.in. analizę wpływu przepływu krwi i rozciągania na wzrost komórek w bioinżynieryjnych zastawkach serca oraz rolę śmierci komórkowej w inicjacji zwapnień. Finansowanie z National Institutes of Health oraz American Heart Association umożliwiło rozwój narzędzi badawczych wykorzystywanych w obecnym projekcie.

Nowa inicjatywa stanowi kontynuację wieloletnich badań i daje realną szansę na przełom w rozumieniu patogenezy chorób zastawek serca. Integracja różnych podejść badawczych może przyczynić się do opracowania skutecznych metod leczenia i poprawy rokowania pacjentów.

Źródło: Worcester Polytechnic Institute