En condiciones circulatorias normales y saludables, el factor von Willebrand vWF se mantiene solo. La gran y misteriosa glucoproteína multimérica se mueve a través de la sangre, se hincha fuertemente, sus sitios de reacción no están expuestos. Pero cuando ocurre un sangrado significativo, entra en acción, iniciando el proceso de coagulación.
Cuando funciona correctamente, vWF ayuda a detener el sangrado y salva vidas. Sin embargo, alrededor del uno al dos por ciento de la población mundial se ve afectada por mutaciones de vWF que resultan en trastornos hemorrágicos. Para aquellos con formas más raras y severas, un tratamiento muy costosoen forma de plasma sanguíneo, puede ser necesario el reemplazo.
Por otro lado, si vWF se activa donde no es necesario, puede desencadenar un derrame cerebral o un ataque cardíaco.
Una mejor comprensión de cómo funciona el vWF podría dar lugar a fármacos que lo reemplacen en aquellos que carecen de él. También podría conducir al desarrollo de nuevos fármacos o portadores de fármacos que imiten el comportamiento de la proteína para una administración de fármacos más eficaz.
Con eso en mente, un equipo de investigadores de la Universidad de Lehigh está trabajando para caracterizar esta proteína misteriosa. En un artículo publicado recientemente en Revista biofísica , avanzan los datos experimentales para la respuesta extensional inducida por corte de vWF, utilizando un dispositivo microfluídico y microscopía de fluorescencia. Además, utilizan los resultados de simulaciones dinámicas brownianas en tándem de un modelo de VWF de grano grueso parametrizado experimentalmente para ayudar a explicar algunos desus observaciones centrales del experimento. Este trabajo aclara más detalles de los comportamientos de respuesta biomecánica inducidos por el flujo del VWF atado y demuestra el poder y las capacidades de modelos de grano grueso cada vez más complejos empleados en conjunto con el experimento.
El documento, llamado "Comportamientos de respuesta extensiva inducida por cizallamiento del factor de von Willebrand atado", es escrito por Xuanhong Cheng, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales; Alparslan Oztekin, profesor de ingeniería mecánica y mecánica; Edmund Webb III, profesor asociadode ingeniería mecánica y mecánica; y Frank Zhang, profesor asociado de bioingeniería e ingeniería mecánica y mecánica; así como los estudiantes de doctorado Michael Morabito y Yi Wang.
vWF en el trabajo
En el lugar de una herida menor, las plaquetas se adhieren a los sitios expuestos al colágeno cerca del agujero en la pared de los vasos sanguíneos por sí mismas y actúan como un tapón, deteniendo efectivamente el sangrado. Sin embargo, el flujo sanguíneo rápido hace que sea difícilplaquetas para hacer esto. Afortunadamente, el Factor von Willebrand reconoce este flujo sanguíneo rápido y activa: "Es un evento activado por la mecánica del flujo, si lo desea", explica Webb.
La molécula globular se despliega como un Slinky, se extiende hasta 10 veces su tamaño original y expone sus sitios de reacción. Se aferra a la pared rota de los vasos sanguíneos, donde el colágeno expuesto, la proteína estructural de la pared de los vasos sanguíneos, atrae las plaquetas.Luego, vWF captura las plaquetas de la sangre a medida que fluyen, actuando como un puente entre el colágeno y las plaquetas.
Aunque la función biológica de vWF ha sido reconocida por los científicos durante mucho tiempo, no se sabe mucho acerca de los detalles de cómo funciona vWF, particularmente en condiciones de flujo.
"La mayoría de las proteínas en las funciones sanguíneas se ejecutan a través de reacciones bioquímicas", dice Cheng. "Esta proteína [vWF] también requiere alguna reacción bioquímica para su función, por lo que necesita agarrar las plaquetas, agarrar el colágeno, esas son reacciones bioquímicasAl mismo tiempo, vWF se basa en la estimulación mecánica para ejecutar la función bioquímica, y esa parte no es muy conocida. Eso es lo que estamos tratando de estudiar ".
Agrega Webb: "Algunos de los datos que provienen de nuestro grupo, pero también de otros grupos, indican que esas reacciones bioquímicas son de alguna manera estimuladas por la existencia de algún tipo de tensión, una fuerza de tracción. Así que incluso las reacciones bioquímicas parecen seralgo mediado mecánicamente. Una vez más, se entendió que hubo un cambio de una forma compacta, casi como una bola, por así decirlo, a esta cosa larga y fibrosa. Pero recientemente la gente ha estado indicando que no es solo eso. Para este químicositio para estar activo, tienes que estar tirando de él, tienes que estar en un poco de tensión, localmente. Así que es un sistema realmente fascinante ".
Desentrañar A2
El factor von Willebrand es una proteína particularmente grande compuesta de muchos monómeros, o moléculas que pueden unirse a otras moléculas idénticas para formar un polímero. Dentro de cada monómero de vWF hay diferentes dominios: A, C y D. Cada dominio ycada uno de sus respectivos subdominios tiene su propio papel, y muchos de estos roles aún se desconocen. El dominio A1, por ejemplo, une vWF a las plaquetas. A3 une vWF al colágeno. El dominio A2 se despliega para exponer los sitios de reacción de la proteína y,cuando está completamente abierto, expone un sitio que permite la escisión de la molécula de vWF a tamaño reducido. Los miembros del equipo se han centrado en el dominio A2, en particular.
"Creo que comprender ese dominio y cómo interactúa con el flujo es la mejor contribución de nuestro grupo", dice Oztekin.
Cada miembro del equipo juega un papel particular. Cheng, Zhang y sus estudiantes de posgrado trabajan en el lado experimental del proyecto; Oztekin, Webb y sus estudiantes de posgrado se centran en la simulación. Los resultados de cada equipo informan el trabajo del otro.
Zhang, que ha estado estudiando vWF durante años y trajo el proyecto a Lehigh, se especializa en espectroscopía de fuerza de molécula única y mecanosensibilidad, o cómo las células responden a estímulos mecánicos. Utiliza una herramienta especializada llamada pinzas ópticas, que utiliza un láser enfocadohaz para aplicar fuerza a objetos tan pequeños como un solo átomo.
"Las pinzas ópticas pueden agarrar objetos pequeños", explica Zhang. "Podemos agarrar el vWF y al mismo tiempo aplicamos fuerza para ver cómo la proteína cambia de forma, para ver cómo se activan las proteínas cuando hay una perturbación mecánica o unfuerza mecánica "
Cheng desarrolla dispositivos microfluídicos, que tienen un diámetro pequeño y pueden usarse para analizar biopartículas vivas. Ella y su equipo crean canales muy pequeños similares a la geometría de los vasos sanguíneos, del orden de 10 micras de altura, unos pocos milímetrosen longitud y anchura, para que puedan imitar la condición de flujo que vWF encuentra en el cuerpo. Etiquetan la molécula de vWF fluorescentemente y usan un microscopio confocal para capturar video e imágenes fijas de la molécula a medida que fluye a través del canal a diferentes velocidades.
"Cuando hablamos de esta proteína bajo flujo normal, es una conformación, y luego cuando está expuesta a ciertos patrones de flujo anormales, tendrá una conformación diferente", explica Cheng. "Así que estamos tratando de caracterizar o replicarese proceso en un sistema in vitro, tratando de observar cómo esta proteína cambia la conformación bajo diferentes patrones de flujo. Y luego, si tenemos mutantes versus proteína normal, ¿cómo se comportarían de manera diferente? "
El estudiante de doctorado Yi Wang trabaja con Cheng en el canal de microfluídica en el que pueden observar cómo la molécula de vWF se deshace y se pliega nuevamente en tiempo real bajo un microscopio. Para hacerlo, deben crear un entorno que imite la velocidad de corte o cambieen la velocidad del flujo sanguíneo, que se encuentra en el cuerpo.
"Debido a que estamos usando una velocidad de corte bastante alta para ser comparable al entorno fisiológico, y debido a la velocidad de movimiento limitada de una lente de microscopio que captura imágenes de la molécula, en realidad es bastante difícil capturar el movimiento de una molécula si se está moviendo", dice Wang.
Para resolver ese problema, el equipo une un lado de la molécula a la superficie del canal para inmovilizarlo mientras aplican la fuerza de corte. Han capturado con éxito el fenómeno de despliegue en video.
"Si [la molécula] está demasiado apretada, simplemente permanecerá allí [y no se desplegará]", dice Wang. "Si está demasiado flojo, todo se enjuagará. Así que estaba muy emocionado cuando llegamosel punto dulce de atarlo allí mismo en la superficie para que pueda desplegarse y plegarse ".
Este trabajo fue apoyado en parte por la subvención de la National Science Foundation DMS-1463234 y utilizó el Extreme Science and Engineering Discovery Environment, que cuenta con el respaldo de la National Science Foundation Grant No. ACI-1548562.
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Materiales proporcionado por Universidad de Lehigh . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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