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Recapitulation of the organ-specific microenvironment, which stimulates local angiogenesis, is indispensable for successful regeneration of damaged tissues. This report demonstrates a novel method to implant fibrin gels on the lung surface of living mouse in order to explore how the lung-specific microenvironment modulates angiogenesis and alveolar regeneration in adult mouse.
줄기 세포 연구와 생명 공학 기술의 최근 중요한 발전은 재생 및 정형 외과 및 치주 분야에서 간단한 조직에 손상을 복구하는 생체 물질을 활용에 큰 진전을 만들었습니다. 장기 재생의 생물학적 과정을 잘 탐구되지 않은 때문에 구조 및 폐 등과 같은보다 복잡한 3 차원 (3D) 장기의 기능을 재생하려고 시도하는 것은 매우 성공적이지 못 하였다. 이는 혈관 신생은 새로운 혈관의 형성은, 기관 재생에 중요한 역할을한다는 것을 분명 해지고있다. 새로 vasculatures 산소, 영양분 및 장기 재생을 위해 요구되는 다양한 세포 구성 요소를 제공 할뿐만 아니라, 조직 재생에 유익한 로컬 신호를 제공하지 만 형성. 그러므로, 성공적으로 성인의 폐를 재생하기 위해서는 로컬 폐 조직의 재생을 드라이브하는 혈관 신생 폐 특정 미세 환경 요점을 되풀이하는 것이 필요하다. 공동 비록nventional 생체 등의 히드로 겔 (예를 들어, 섬유소 또는 콜라겐 젤 또는 마트 리겔 - Engelbreth-홀름 - 떼 마우스 육종 세포에 의해 분비 ECM 단백질 혼합물)이 풍부한 세포 외 기질 (ECM)의 피하 주입으로 혈관 신생 분석, 광범위하게 탐구하기 위해 사용된다 폐에 생체 재료의 소성을 주입하는 방법이 잘 확립되지 않았기 때문에 혈관의 일반적인 메커니즘은, 폐 특정 혈관 신생은 잘 특징되지 않았습니다. 이 프로토콜의 목적은 겔 내부 호스트 폐 유래의 혈관 신생을 성공적 재현부 허용 살아있는 성인 마우스의 폐 표면 상 피브린 겔을 이식하는 독특한 방법을 도입하는 것이다. 이 방법은 폐 별 미세 정상 및 병적 상태 모두에서 혈관 신생과 치조골 재생을 제어하는 메커니즘을 탐구하는 연구자 수 있습니다. 이식 된 생체 재료에 출시 된 이후 인접 리터에 물리적, 화학적 신호를 공급하고웅 조직, 폐 병변 이러한 생체 물질의 주입은 잠재적 폐 질환의 다양한 유형에 대한 새로운 치료 방법을 개발하기 위해 연구를 가능 인접 병든 조직을 정상화 할 수있다.
이 프로토콜의 전반적인 목적은 연구자 폐 혈관 및 폐포 개발의 분자 메커니즘을 특성화 할 수 성인 마우스의 폐 표면 상 피브린 겔을 이식하는 방법을 소개하고, 가능한 생체 모방 물질을 개발하기 위해이 지식을 활용하는 것이다 각종 폐 질환을 치료하는 생리 폐 혈관 및 폐포의 형성을 recapitulating.
35 개 이상의 만 명의 미국인이 만성 폐쇄성 폐 질환과 폐 섬유증을 포함한 만성 폐 질환으로 고통 받고 있습니다. 이 환자는 크게 일상 생활 1-3을 손상 등의 호흡 곤란, 흉부 압박감, 잔소리 기침, 피로 오래 지속되는 만성 호흡기 증상을 가지고있다. 이러한 폐 질환에 대한 효과적인 치료법을 개발하는 노력의 큰 금액에도 불구하고, 현재 치료법이 없다; 따라서, 이러한 환자의 삶의 질은 가난하고 경제적이며, 인간의 비용은 안녕하다GH 4-7. 현재 폐 이식은 말기 만성 폐 질환을 가진 환자를 저장할 수있는 유일한 방법입니다. 그러나, 이식 기증자, 높은 비용, 심각한 합병증, 낮은 생존율 8-11의 부족, 이식은 최적의 방법이 아닙니다. 조직 공학 기술 최근의 급속한 발전은 전구 세포 나 유도 만능 줄기 (IPS) 세포 12,13 다양한 종류의 탈세 포화 전체 폐를 다시 채우기에 의해 이식 폐를 생명 공학자 인 연구자를 가능하게했다. 그러나 이러한 생체 공학 폐는 주입 12,14,15 후 몇 시간 동안 호스트 동물의 기능입니다. 폐의 복잡한 구조 및 기능을 재생시키기 바이오 소재를 활용하여도 상당히 성공적이지 못했다. 성인 폐 재생을 제어하는 키 생물학적 과정이 잘 탐험되지 않은 때문일 수 있습니다. 폐에서 혈관 시스템의 형성은 초기의 가장 중요한 이벤트 중 하나 두리입니다NG 개발 및 재생 16-21. 새롭게 산소 만, 영양분과 기관 형성을 위해 요구되는 다양한 세포 구성 요소를 제공 할뿐만 아니라, 주위의 세포에 유익한 22-25 규제 신호를 제공하지 폐 vasculatures 형성. 따라서, 혈관 신생은 성인 폐 24,26,27 회생 폐포에 중요한 역할을한다. 또한, 규제 완화 된 혈관 형성은 만성 폐쇄성 폐 질환 (COPD) (28), 기관지 폐 이형성증 21-23, 29 및 폐 섬유증과 같은 만성 폐 질환에 기여한다. 따라서, 폐 엔지니어링 또는 만성 폐 질환을 치료하기위한보다 효율적인 전략을 개발하기 위해서는, 특정의 폐 혈관의 근본적인 메커니즘을 이해하는 것이 필요하다.
각 기관은 생리적, 병리 적 상태로 30 ~ 33 사이에 다를 수 있습니다 고유의 기계적, 화학적 특성을 표시합니다. 이 기관 고유의 microenviron사항은 내피 세포의 행동을 조절하고 기관 고유의 방식으로 24,34-36 혈관 네트워크 형성을 조율. 따라서, 폐보다 효율적인 재생을위한 전략을 개발, 폐 혈관 관련 기본 메커니즘은 이해되어야한다. 피하 하이드로 겔 주입 등의 생체 기존의 혈관 신생 분석은 혈관 신생 연구 37-39 광범위하게 사용되었지만, 그 방법은 기관 고유의 혈관 신생을 요점을 되풀이하지 않습니다. 최근에 마우스 폐 탄성 금형에 이식 마트 리겔을 신규 한 방법이 개발되고 성공적 겔 (22)에 혈관과 폐 상피 세포를 보충하는 것으로 나타났다. 이 독특한 접근 방식은 연구자가 생리적, 병리 적 상태에서 혈관 및 비 혈관 폐 세포 사이의 폐 특정 혈관 신생의 메커니즘뿐만 아니라 상호 작용을 탐구 할 수 있습니다. 1) 마트 리겔은 임상 적용에 적합하지 않기 때문에; 2) 예를더 임상 적 접근법으로서, 하이드로 겔 및 호스트 폐 조직 및 3) 폐에 탄성 몰드 잠재적 호흡 동안 폐 기능 및 통증 장애 발생 사이의 상호 작용에 영향을 미칠 수있는 겔을 캐스팅하는데 사용 lastic 금형, 3D 피브린 매트릭스가 혈관 신생 인자를 함유하는 (혈관 내피 성장 인자 (VEGF) / 염기성 섬유 아세포 성장 인자 (bFGF)) 탄성 몰드에 캐스팅없이 마우스 폐에 주입되었고, 성공적 호스트 폐 유래의 혈관 신생을 효과적으로 요약했다. 피브린 겔, 트롬빈 절단 된 피브리노겐으로부터 생성 중합체는 피 브릴, 트랩 40,41 생체 내에서 혈관 신생을 촉진하는 등의 bFGF와 VEGF의 혈관 신생 인자와 같은 다양한 공지되어있다. 그 때문에 회생 능력과 생분해 자연 42 피브린 겔 널리 조직 공학 분야에서 사용된다.
이 문서에서는 생활 adul의 폐 표면에 섬유소 젤을 이식하는 새롭고 독특한 접근 방식을 소개합니다t 마우스와 호스트 폐 유래 혈관이 생체 내에서 젤 내부에 효과적으로 요약되어 있음을 보여줍니다. 폐 혈관 신생 관련 공부 연구자 있도록 이러한 방법은, 아마도 폐 질환의 다양한 유형에 대한 새로운 치료 방법의 개발로 이어질 상당히 성공적 성인 폐를 재생하는 노력을 진행한다.
참고 : 생체 내 동물 연구는 국립 보건원 (National Institutes of Health)의 실험 동물의 관리 및 사용을위한 설명서의 권장 사항을 엄격히 준수하여 실시 하였다. 이 프로토콜은 검토하고 보스턴 아동 병원의 동물 관리 및 사용위원회 (프로토콜 번호 : 13-10-2526R, 14-02-2568R)에 의해 승인되었다. 이 프로토콜에서 사용되는 모든 약물은 제약 학년이며,이 약은 무균 상태에서 제조된다.
1. 섬유소 젤 준비
2. 마우스 준비
3. 마우스 수술
4. 마우스 복구
5. 수확 폐
호스트 폐 유래 혈관 형성은 폐에 주입 된 생체 물질의 내부에 효과적으로 요약되어 있는지 여부를 조사하기 위해서, 피브린 겔 주요 혈관 신생 인자의 VEGF와 bFGF를 보충 (0, 10, 100 ng이다 / mL 씩)로서 살아있는 마우스의 폐 표면 상에 이식 하였다 마트 리겔 (22)를 사용하여보고했다. 도 1a에 도시 된 바와 같이, 이러한 혈관 성장 인자를 포함하는 피브린 겔 (47)을 제작 하였다. 개흉술 후, 좌측 폐 표면의 작은 영역은 집게를 사용하여 긁어시키고 제조 피브린 겔 FDA 승인 널리 정지 효과적인 실란트로서 사용된다 피브린 접착제를 소량 사용하여 성인 쥐의 폐에 주입시켰다 공기 누출 및 폐 수술 48, 49 (그림 1b)를 출혈 줄일 수 있습니다. 대부분의 마우스는 심한 호흡기 증상 (예를 들면, 기흉, 호흡 곤란)없이 회복. 이레 주입 한 후, 마우스는 안락사와 폐 하브했다되었다다네. 이식 된 피브린 겔 7 일 주입 (그림 1C) 후 호스트 폐에 통합되었다. 공 초점 형광 이미지의 3D 재구성은 VEGF /의 bFGF의 농도 의존적 방식으로 칠일 주입 후 젤 내부의 혈관 네트워크를 형성 호스트 유래 CD31 양성 내피 세포를 보이고있다 (그림 2a, C). 유형 I (AQP5 양) 및 유형 II (SP-B 양) 폐 상피 세포는 VEGF와 bFGF를 (각 100 NG / ㎖) (그림 2a)의 높은 농도로 보충 된 젤 내부에 새로 형성된 혈관을 따라 모집했다 . 조직 학적 섹션의 H & E 염색 호스트 다른 종류의 세포는 이식 (그림 2b) 후 젤 칠일로 마이그레이션 것으로 나타났다. 이러한 연구 결과는 호스트 폐 유래 재생 혈관 네트워크가 성공적으로 혈관 신생 인자 보충 및 성인 양해 각서 (MOU)의 표면에 이식 된 섬유소 젤 내부에 구성되어 제안자체 폐.
그림 1 :. 왼쪽 폐 (화살촉)의 스크랩 내장 늑막에 걸쳐 이식 주입하기 전에 준비 () 섬유소 젤 (b)는 섬유소 젤 (C) 이식 된 섬유소 젤 (화살촉) 칠일 주입 한 후 호스트 폐에 통합.. 스케일 바 1mm.
그림 2 : () 혈관 네트워크의 형성을 보여주는 형광 현미경 (CD31 양성, 녹색) 및 모집 유형 I (AQP5 양성, 마젠타) 또는 유형 II (SP-B 양, 마젠타) 섬유소 젤 내부의 폐 상피 세포를 보충 VEGF와 bFGF를 다양한 농도 (칠일 주입 후 / ㎖를 각각) ng를 0, 10, 100. 점선은 주입 피브린 겔 폐 및 호스트 사이의 인터페이스를 나타낸다. 스케일 바 :. 20 μm의 (b)에 칠일 주입 후 섬유소 젤로 숙주 세포의 침윤을 보여주는 H & E 염색의 빛 현미경 사진. 화살표 겔 폐와 호스트 사이의 인터페이스를 나타낸다. 스케일 바 : 20 μm의 VEGF와 bFGF를 다양한 농도로 보충하는 섬유소 젤에 새로 형성된 혈관의 투영 면적을 나타내는 (C) 그래프 7 일 주입 후 (0, 10, 100 각 / ㎖ ng를)..
이 문서에서는 성인 마우스를 삶의 폐 표면에 생체 적합 물질을 이식하는 새로운 방법을 소개합니다. 이 시스템을 호스트 폐 유래 혈관이 성공적으로 재료 내부에 효과적으로 요약된다. 이 시스템은 연구자가 내피 세포 사이의 크로스 토크를 탐색 할 수 있습니다, 다른 세포 (예를 들면, 상피 세포, 중간 엽 세포, 면역 세포) 지역의 혈관 신생 50 ~ 53과 치조골 재생 24,54에 필요한 다양한 ECM 구성 요소. 기존의 생체 내 피하 하이드로 겔 주입이 혈관 신생 연구 37-39 광범위하게 사용되었지만, 그 방법은 기관 고유의 혈관 신생을 요점을 되풀이하지 않습니다. 하이드로 겔 폐 표면에 직접 주입하는이 시스템은, 성인 쥐의 폐에서의 혈관 신생 및 치조골의 재생 폐 특정 미세 환경의 역할을 조사하기 위해 연구를 가능하게 할 것이다. 이러한 겔은 다양한 ECM 풍부한 biomate 제조 될 수있다다양한 화학 인자 (예 : 혈관 신생 인자, 성장 인자) 55, 56, 선조 세포 및 / 또는 IPS 세포로 보충 될 수 리알 (예를 들면, 콜라겐, 피브린). 화학적 요인뿐만 아니라, 기계적 힘은 혈관 신생 23,37을 제어 할 수 있습니다. 피브리노겐 농도 의존적 (57)을 통해 화학적 신호뿐만 아니라 실제 큐 58,59 통해서뿐만 아니라 혈관에 영향을 미칠 수있는 피브리노겐 농도를 조작하는데 피브린 겔 강성의 변화. 따라서, 섬유소 젤의 물리 화학적 특성은 미래의 생리 기관 고유의 혈관 신생을 요점을 되풀이 신중하게 최적화 할 필요가 있습니다. 내장 늑막을 긁어 후 상처 치유는 숙주 세포의 여러 유형을 포함하고 치유 과정 및 조직 재생을 촉진 내인성 섬유소 혈전을 생성합니다. 이 자연 응고 angio 제어 따라서 외생 적으로 이식 섬유소 젤과 상호 작용하고있다이식 젤 기원. 형광 표지 된 피브리노겐 천연 섬유소 응고 및 이식 섬유소 젤을 구분하고 이러한 메커니즘을 탐구하는 연구를 가능하게 할 수있다. 이 신생아 쥐 것 가능성이 존재하는 기술적 과제 폐 개발 및 질병의 연구에 성인 마우스 폐의 혈관 신생, 응용 프로그램을 특성화 할 수있는 강력한 방법이지만.
본 연구의 궁극적 인 목표는 병든 폐에 주입 피브린 겔 기능적으로 혈관을 모집하고 폐 기능 구조를 복원하는 의료 장치로서, 매트릭스를 사용하는 것이다. 가능한 겔 내부 숙주 세포 및 혈관의 구조와 치조골 사이의 통신뿐만 아니라, 이러한 구조의 기능은 이후의 실험 탐구한다. 폐에 VEGF 농도는 60, BPD 61 폐기종 환자에서 감소되기 때문에, 매트릭스에 VEGF를 첨가하여 매트릭스 IMPL로 혈관의 모집을 개선시킬 수있다이 병에 걸린 폐에 anted. 기계적 성질은 건강하고 병에 걸린 폐 23,62 사이에 차이가있다. 예를 들어, 분해 및 콜라겐의 가교를 제어 매트릭스 메탈과 리실 산화 효소의 발현이 각각 만성 폐쇄성 폐 질환 및 폐 섬유증 63 ~ 67 등 다양한 폐 질환에 변경된다. 병에 걸린 폐에서 폐 내피 세포와 상피 세포 전구 세포의 특정 계보는 68 고갈된다. 따라서, 선조 세포로 보충 피브린 겔이 요인 (혈관 신생 인자, ECM들, ECM 강성)를 조작하거나 주입 69 가능성 매트릭스 다양한 병리 적 상태에서 폐 기능의 회복 내부 기능적 혈관의 형성으로 이어질 것이다. 화학적 요인 로컬 혈관 신생을 조절하기 위해 내부 피브린 겔을 보충 할 수 있으므로,이 시스템은 또한, 만성 폐 질환, 폐 질환이 정상화 수있는 특정 환경 단서를 탐색에 이용 될 수있다.
요약하면,이 문서는 생체 내에서 폐 특정 혈관의 특성을 연구 할 수 있습니다 생활 마우스의 폐 표면에 피브린 겔을 이식하는 방법을 소개합니다. 다양한 요소의 변경 (예를 들어, 시간 경과, 농도 및 혈관 신생 인자의 조합은, 하이드로 겔 다양한 종류의 하이드로 겔의 물리 화학적 특성)이 시스템은 폐의 혈관 신생 및 재생의 메커니즘을 발표 할 예정이다. 따라서,이 시스템은 크게 기본 혈관 생물학, 조직 공학의 과학적 지식뿐만 아니라 폐 의약품을 진행합니다.
The authors declare that they have no competing financial interests.
이 작품은 미국 심장 협회 (AM), 미국 국방부 (BC074986), 보스턴 어린이 병원 교수 경력 개발 원정대 (TM, AM)에서 기금에 의해 지원되었다. 저자는 기술 지원을 아만다 장과 엘리자베스 지앙 감사합니다.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Fibrinogen from human placenta | Sigma | F4883 | For fabrication of fibrin gel |
Thrombin from bovine plasma | Sigma | T9549 | For fabrication of fibrin gel |
Recombinant mouse VEGF 164 | R&D | 493-MV | For supplementation to fibrin gel |
Recombinant mouse bFGF | R&D | 3139-FB | For supplementation to fibrin gel |
Rodent Intubation Stand | Braintree Scientific INC | RIS 100 | For intubation |
Fiber-Optic Light Source | Fisher Scientific | 12-565-35 | For intubation |
21 G Elastic catheter | B.Braun | 4251652-02 | For intubation |
MiniVent Ventilator | Harvard Apparatus | CGS-8009 | For ventilation |
Stemi DV4 Steromicroscope | Fisher Scientific | 12-070-515 | For surgey |
Absobable suture | Ethicon | PDP304 | Surgical suture |
Antibody against CD31 | BD Biosciences | 553370 | Immunohistochemistry |
Antibody against AQP5 | Abcam | AB78486 | Immunohistochemistry |
Antibody against SP-B | Abcam | AB40876 | Immunohistochemistry |
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