Modeling atypical hemolytic uremic syndrome with hydrogel-based microvasculature-on-chip technologies

利用基于水凝胶的微血管芯片技术模拟非典型溶血性尿毒症综合征

基本信息

  • 批准号:
    9809757
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 20.95万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2019
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2019-08-15 至 2022-04-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

PROJECT SUMMARY ABSTRACT Atypical hemolytic uremic syndrome (aHUS) is a life-threatening disease that causes microvascular thrombosis, especially in the kidneys, with a global mortality rate of 25%, and a frequent progression to end-stage renal disease (ESRD)1,2. While aHUS is known to be associated with uncontrolled activation of the alternative pathway (AP) of complement, the underlying pathophysiology of how AP activation causes endothelial injury and thrombosis remains unclear, which largely limits the development of additional therapies for aHUS. Even with the currently most effective drug, eculizumab, many still suffer from acute flare ups, progression to ESRD, and extra-renal manifestations, which are thought to be associated with unregulated endothelial activation. The proposed work aims to develop the first in vitro model of aHUS that incorporates all of the major components thereof, including complement and other plasma proteins, platelets, red blood cells, intact endothelium, extracellular matrix with physiologic biophysical properties, and shear stress, to not only improve our understanding of the pathophysiology of this feared disease but also to explore new therapeutics that may improve better clinical outcomes for aHUS patients. Here we hypothesize that a novel hydrogel-based “endothelialized” microvasculature-on-a-chip that we recently invented recapitulates the in vivo microvascular microenvironment and exhibits long-term (>2 months) microvasculature functionality. This can be used as an in vitro model for aHUS, as our microvasculature-on-a-chip system enables the decoupling of the complex cellular and molecular factors (including complement and regulators of complement activation) involved in the pathophysiology of aHUS as well as quantitatively characterizes how these factors interact and lead to endothelial injury or activation. These factors will be perfused into the engineered microvasculature, and biomarkers of endothelial dysfunction, such as endothelial permeability, reduced nitric oxide and increased reactive oxygen species, will be monitored in real time. In addition, the system will allow assessment of how these factors synergistically lead to thrombi formation in the engineered microvasculature in the context of aHUS through quantifying fibrin formation and platelet aggregate/microthrombi size. As eculizumab only blocks the formation of the membrane attack complex in the terminal pathway of complement activation, this microvasculature-on-a-chip model will enable the testing of other novel treatment strategies to promote endothelial repair. Successful completion of this study will result in the development of a novel and robust model for aHUS, gain a better understanding of endothelial damage in aHUS and more broadly how the complement system interacts with hemostasis and thrombosis, and provide insights into developing rational pharmacological approaches in the management of aHUS and other thrombotic microangiopathies.
项目概要摘要 非典型溶血性尿毒症综合征(aHUS)是一种危及生命的疾病,会导致微血管血栓形成, 尤其是肾脏,全球死亡率为 25%,并且经常进展为终末期肾病 疾病 (ESRD)1,2,而已知 aHUS 与旁路途径的不受控制的激活有关。 补体 (AP),AP 激活如何导致内皮损伤的潜在病理生理学 血栓形成仍不清楚,这在很大程度上限制了 aHUS 额外疗法的开发。 目前最有效的药物依库丽单抗(eculizumab),许多人仍然遭受急性发作、进展为 ESRD 的困扰,并且 肾外表现,被认为与不受调节的内皮激活有关。 拟议的工作旨在开发第一个 aHUS 体外模型,其中包含所有主要功能 完整的成分,包括补体和其他血浆蛋白、血小板、红细胞 内皮、具有生理生物物理特性的细胞外基质和剪切应力,不仅 提高我们对这种可怕疾病的病理生理学的理解,同时探索新​​的治疗方法 这可能会改善 aHUS 患者更好的临床结果。在这里,我们致力于开发一种新型的基于水凝胶的药物。 我们最近发明的“内皮化”微血管芯片概括了体内微血管 微环境并表现出长期(> 2 个月)微血管功能,这可以用作内部。 aHUS 的体外模型,因为我们的微血管芯片系统能够解耦复杂的细胞 和参与的分子因素(包括补体和补体激活的调节因子) aHUS 的病理生理学以及定量描述这些因素如何相互作用并导致 这些因子将被灌注到工程化的微血管系统中,并且 内皮功能障碍的生物标志物,例如内皮通透性、一氧化氮减少和增加 此外,系统还可以评估活性氧的情况。 这些因素协同导致 aHUS 背景下工程化微血管系统中的血栓形成 通过量化纤维蛋白形成和血小板聚集/微血栓大小,因为依库丽单抗仅阻断 在补体激活的终末途径中形成膜攻击复合物,这 芯片上的微血管模型将能够测试其他新颖的治疗策略,以促进 内皮修复。 这项研究的成功完成将为 aHUS 开发一种新颖且稳健的模型,获得 更好地了解 aHUS 中的内皮损伤以及更广泛的补体系统如何相互作用 止血和血栓形成,并为开发合理的药理学方法提供见解 aHUS 和其他血栓性微血管病的治疗。

项目成果

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