Method Article
Масштабируемые сконструированные кровеносные сосуды позволит улучшить клиническую применимость. Использование легко значительных 3D-печатных руководств, были созданы и уложены в трубчатую форму, образуя сосудистый трансплантат кольца гладких мышц сосудов. Прививки могут быть рассчитаны для удовлетворения широкого круга размеров коронарных артерий человека путем простого изменения 3D печатных размеров руководство.
Ишемическая болезнь сердца остается основной причиной смерти, страдают миллионы американцев. При отсутствии аутологичных сосудистых трансплантатов доступных, сконструированные трансплантаты предлагают большой потенциал для лечения пациентов. Тем не менее, сконструированные сосудистых трансплантатов, как правило, не легко масштабируемой, требуя производство нестандартных форм или полимерных труб для того, чтобы настроить на различные размеры, составляющие по времени и больших затрат практики. Человеческие артерии имеют диаметр просвета от примерно 2.0-38 мм и толщиной стенки от примерно 0.5-2.5 мм. Мы создали метод, называемый "Ring Stacking метод", в которой переменные кольца размера ткани нужного типа клеток, продемонстрированную здесь с клеток гладких мышц сосудов (SMCS), могут быть созданы с помощью направляющих постов центра для контроля диаметра просвета сосуда и внешние оболочки диктовать толщину стенки сосуда. Эти кольца тканей затем сложены, чтобы создать трубчатую конструкцию, имитируя естественную форму кровеносного сосуда. Длина судна может бе скроены просто укладывания количество звонков, необходимых для образования необходимой длины. С помощью нашей техники, ткани трубчатых форм, подобных кровеносного сосуда, могут быть легко изготовлены в различных размеров и длины для удовлетворения потребностей клиники и пациента.
При лечении ишемической болезни сердца (ИБС), у пациента в собственные кровеносные сосуды собирают в качестве трансплантационного материала для шунтирования. Тем не менее, часто, больные не имеют жизнеспособных судов, чтобы пожертвовать собой, а также в тех случаях, когда они делают, сайт донор вызывает значительный дополнительный вред и имеет серьезный риск для инфекции. 1 Engineered сосудистых трансплантатов может удовлетворить эту потребность. Масштабируемость имеет первостепенное значение для инженерных судов в целях удовлетворения широкого спектра требований к размеру сосуда пациента. Тем не менее, современные методы инженерных судов, не легко масштабируются, и как правило, требуют сложных перерабатывать форм или полимерных каркасов. Большинство инженерии трансплантаты либо используют полимерный трубчатый помост, который засевают с сосудистыми фибробласты, гладкие мышцы, или эндотелиальных клеток; или подвижного сотового листа вокруг оправки для создания трубки ткани. Два сконструированные сосудистых трансплантатов в клинических испытаниях, основаны на decellularized платформы полимер-ECM. 2, 3, 4 полимерные трансплантатов доступны для использования в сосудистой реконструкции уже известно, имеют проблемы с проходимостью, которые могут возникнуть в качестве одной из основных проблем при длительном применении трансплантата с наличием устойчивого полимера. Трубчатые формы были использованы для изготовления полностью вакуолей, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 , какие процедуры требует дополнительных проектирование и изготовление инструмента для пользовательских форм для того , чтобы производить сосуды в различных размерах ,
Описанный здесь способ включает в себя новый метод для создания легко масштабируемой сконструированную сосудистуютрансплантатов с помощью настраиваемых 3D печатных пластин и традиционной культуры пластин. 14 Клетки высевают на пластины со вставками из центрального поста и внешней оболочки. Почтовые управления диаметр просвета сосуда и позволяет Клеточный монослой к самосборке в кольцо ткани. Внешняя оболочка управления толщина кольца, и, таким образом, толщина стенки окончательного судна. Заполненные кольца тканей затем уложены с образованием трубчатого трансплантата, сосудистая. Преимущество этого метода, называют "Кольцо Stacking Method", является то, что любой клейкий тип клеток может быть посеяны в установку пластины и тканевых колец или труб любого размера, необходимого для требуемого применения могут быть получены путем простого изменения направляющих вставок. Сравнительные методы в тканевой инженерии Создание колец ткани по- прежнему трудно масштабе, 15, 16 требует перерабатывать пресс - форм для каждого нужного размера. Кроме того, сосудистые трансплантаты с использованием этого метода можно производитьd через 2-3 недели, через несколько недель быстрее по сравнению с другими спроектированных судов. 6 Для клиники, на этот раз несоответствие может иметь существенное значение при лечении ухудшающейся пациента.
1. Культура клеток Приготовление
2. Подготовка 3D печатных вкладышей и на заказ Силиконовые Вагонка Плиты
3. Получение фибрина гидрогеля, Посев с гладкомышечных клеток и поддержание пластин
4. Монтаж Vascular строительство и техническое обслуживание
Продемонстрированные здесь изготовление 3 -х различных размеров сконструированных сосудистых трансплантатов (рисунок 1), показывая , что кольцо Stacking метод (RSM) является масштабируемым. Чтобы доказать применимость, 3 различных размеров сосуда выбраны коррелируют с фактическим размером сосуда человека для левой передней нисходящей артерии (малый, диаметр просвета сосуда = 4 мм) 17, нисходящей аорты (средний уровень ; диаметр просвета сосуда = 10 мм) и восходящей аорты (большой; просвет диаметр = 20 мм) 18. Толщина стенки составляет около 500 мкм для маленьких колец, а также около 1500 мкм для обоих средних и больших колец. Каждое судно продемонстрировано строится путем укладки 6 колец, приравнивания длиной около 6 мм для малого судна и 9 мм для средних и больших сосудов. Длина основана на толщине стенки каждого отдельного кольца.
Гистологический анализ показал,высокая Клеточность всех размеров колец (Рисунок 2). Красный материал разграничивает геля фибрина. В небольших колец, небольшое количество остаточного фибринового геля виден на внешней кромке кольца. В больших колец, некоторые гель-фибрин перемежаются с сотовым контентом. В трехцветный окрасить Массона, признаки производства коллагена (отмечен синим цветом) можно увидеть в средних и больших колец.
Чтобы определить клеточный фенотип после образования кольца, кольца ткани были проанализированы с помощью иммунофлюоресценции на наличие антител к альфа-актин гладких мышц (SMA) и тропомиозин (рисунок 3). Все размеры кольца были положительными для обоих антител, проверив, что фенотип гладкой мышцы поддерживали.
Испытание на растяжение проводили на разных кольцах размера для определения их механических свойств (рисунок 4). U-стрейч, A mechaniИспытательное устройство кал, использовали для испытания на растяжение малых и промежуточных колец и сосудов, в то время как Инстрон использовали для испытания на растяжение больших колец и сосудов. Модуль упругости (Е), предел прочности при растяжении (UTS) и прочность неудачи были собраны данные (FS). Последовательная тенденция наблюдалась с увеличением силы соотносить с увеличением размера кольца и сосудов.
Cell высева количество , необходимое для создания кольца разнообразных размеров увеличилась примерно линейно с площадью поверхности высева (рисунок 5). Для того, чтобы создать большие кольца, необходимы по меньшей мере, 14 миллионов клеток, чтобы создать кольца размера брюшной аорте.
Шесть кольцевых стеки и сосудов, были испытаны на их способность выдерживать поток. Формирует были загружены в заказного перфузионной системы (рисунок 6) и подвергают потока до 5 мин при скорости потока от 100 до 417 мл / мин. Сосуды былиспособен выдержать поток. Малая утечка наблюдалась на концах судна, на разъемах к перфузионной системы.
Рисунок 1: Построение масштабируемых спроектированных судов. А) Схема процесса масштабирования сконструированных судов, начиная с подготовки пластины, посева клеток и строительства судна. Продемонстрированный три различных размера B) кольца и C) судов. D) Представитель большое судно полностью биологическое и напоминает естественную ткань. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 2: Гистологический анализ. Rong> H & E и трехцветный пятна Массона показать жизнеспособную клеточности по всей толщине кольца для всех размеров кольца. Трехцветный пятна выявить области производства коллагена, обозначенные синим цветом (синие стрелки). Большие кольца показали гель фибрина перемежаются, вероятно, из-за складывания относительно большую площадь поверхности клетки листа. Масштабные бары: малые кольца = 200 мкм; промежуточные кольца = 200 мкм; и большие кольца = 0,5 мм. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 3: Анализ иммунофлюоресценции гладкомышечных маркеров. Все размеры кольца были положительными для гладких мышц сократительных белков α-актин гладких мышц (SMA) и тропомиозин (тм). Масштабные полоски = 200 мкм.нагрузка / 55322 / 55322fig3large.jpg "целевых =" _blank "> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 4: Анализ на растяжение тестирования. Кривые напряжение-деформация для всех размеров колец и сосудов показал общую тенденцию к повышению прочности, коррелирующих с увеличением размера кольца / сосуда. Кольца и сосуды были растянуты по окружности. Параметры оцениваемые из графиков были модуль упругости, предел прочности на разрыв и прочность на отказ (перечисленные в таблице 1). Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 5: Cell высева номер корреляции посевом прибойТуз область. На основе аортальных гладкомышечных клетках человека. Площадь поверхности определяется как площадь в формировании кольцевых пластин между центральной стойки и плоской стенкой или наружной оболочки. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 6: Шесть кольцо сосуд подвергали анализу перфузии. A) Специально построена система перфузионного для испытаний потока. Б) Engineered судно загружается в систему перфузии. Три судна были перфузия испытание на герметичность в течение 5 мин в условиях потока. Сосуды оставались стабильными в потоке, с незначительной утечкой на судне концевых соединителей, присоединенных к системе трубопроводов. Пожалуйста , нажмите сюда , чтобы просмотретьувеличенная версия этой фигуры.
Анимированные Рисунок 1: Демонстрация потока перфузионной через сконструированного судна. Пожалуйста , нажмите сюда , чтобы просмотреть это видео. (Щелкните правой кнопкой мыши для загрузки.)
Маленький | промежуточный | большой | |||||
Кольца | Модуль упругости (кПа) | 13,6 ± 2,25 | (П = 6) | 14,5 ± 1,2 | (П = 3) | 17,2 ± 2,2 | (П = 4) |
Предел прочности на растяжение (кПа) | 34,5 ± 10,2 | 39,6 ± 2,98 | 50,9 ± 10,6 | ||||
Неудача прочность (кПа) | 34,5 ± 10,2 | 39,6 ± 2,98 | 50,9 ± 10,6 | ||||
суда | Модуль упругости (кПа) | 49,7 ± 2,80 | (П = 3) | 59,8 ± 3,90 | (П = 2) | 79,8 ± 10,1 | (П = 2) |
Предел прочности на растяжение (кПа) | 115 ± 6,90 | 137 ± 12,0 | 192 ± 86,9 | ||||
Неудача прочность (кПа) | 96,2 ± 12,2 | 60,7 ± 12,1 | 173 ± 92,2 |
Таблица 1: Прочностные свойства отмасштабированных колец и сосудов.
Кольцо Stacking Метод представляет несколько преимуществ по сравнению с текущими тканевых инженерии методов сосудистой конструкции. РСМ может быть адаптирована для создания человека суда любого размера, просто настраивая Столб и внешняя оболочка размеры. Наш метод позволяет для развития полимерных свободных сконструированных судов, состоящих исключительно из человеческих клеток и быстро деградирует поддержки материала, обнаруженного в процессе заживления раны природного организма. Полимерные трансплантаты, как известно, вызывают рестеноза в клинике и может стать проблематичным, если содержащаяся в сконструированных трансплантатов. Число клеток высева должна быть изменена для каждого различного размера кольца ткани. График количества клеток к площади поверхности затравочного показана на рисунке 5 , из которого число высева может быть аппроксимирована и / или экстраполированы. Следует отметить, что тип клетки, используемые здесь аортальных гладкомышечных клеток человека. Для адаптации RSM к различным типам клеток, размер клеток и скорость пролиферации должны быть приняты ворассмотрение и оптимальная плотность посева определяется. Например, мы также создали кольца фибробластов человека с использованием ССТ, и обнаружили, что по крайней мере, 2 раза количество ячеек требуется по сравнению с SMCs. Любой требуемой длины судна может быть построен путем добавления колец. Кольцо стеки культивировали в течение 2-х месяцев и оставался стабильным. Промежуточные и большие кольца оба держали на соответствующем 1500 мкм толщиной стенки, даже если каждый из них, построенной в пластине 60 мм и 100 мм, соответственно, путем размещения внешней оболочки в 100 мм пластины. Это показывает полезность внешней оболочки для управления и получения соответствующей толщины стенки для данного судна. На шаге 3.3.1, TGF-β1 добавляется , так как известно , чтобы стимулировать выработку коллагена 19 и имеет наблюдаемый эффект стягивания кольца. После того как кольца полностью прокатке, одна доза TGF- 1 добавляется в конечной стадии, и кольца готовы к употреблению через 1 день. TGF-β1 делает повысить выработку коллагена в кольцах, как видно на изображениях трехцветный (рисунок 2).
Клетки в маленьких кольцах более круглые и компактные, в то время как в 2-х больших размеров, клетки вдоль внешних кромок отображения степени выравнивания с кромкой ткани и вместе с другими выровненными клетками. Последнее может свидетельствовать о более поздней стадии зрелости клеток, эволюционировали от более высокого содержания клеток в больших колец, и, следовательно, большая степень межклеточной сигнализации для поощрения зрелости. Фибрина гель паразитных в больших кольцах может свидетельствовать о том, что более крупные клеточные листы, как правило, немного свернуть, как они катятся. Гистологические изображения, показывающие это явление было принято 1 день после полного кольца рулон вверх, таким образом, вполне понятно, что фибрин гель, который занимает 2 недели ухудшались в культуре, все равно будет присутствовать. Культивирование кольца, по крайней мере, 2 недели должна ухудшать гель фибрина, оставляя за собой полностью сотовой конструкции.
нт "> Альфа-актин гладких мышц (SMA) представляет собой тонкие нити , которые облегчают сокращение и тропомиозин является сократительных белков. 20, 21 И SMA и тропомиозин присутствовали во всех кольцах размера, с самым сильным, наиболее равномерно распределенного сигнала в промежуточном кольца. Это явление может быть связано с более высокой степенью плотности клеток и организации, стимулируя рост развития сократительного Operandi.Модуль упругости указывает на эластичность колец, а также увеличение Е от маленьких до больших колец предполагает увеличение производства коллагена и эластина. Предел прочности при растяжении является самой высокой прочности, переживаемые колец, не нарушая. Сила Отказ является точкой отказа ткани. Для колец ОТС равна FS. Для судов, ОТС больше, чем FS, который показывает, что предел прочности судна объясняется сочетанием механического вклада от всех колецв сосуде, а точка неудачи из-за самого слабого кольца.
Сила наших инженерных судов лежали в диапазоне кПа, в то время как нативного человеческого суда имеют сильные в пределах диапазона МПа. В целях укрепления наших судов в направлении, что родных судов, мы исследуем методы повышения внеклеточного матрикса, а именно, что коллагена и эластина. Факторы роста, которые способствуют коллагена и эластина в настоящее время применяется для наших колец, чтобы исследовать, будет ли свойства при растяжении увеличиваются.
В дополнение к механическим свойствам, функциональные показатели сокращения мышц имеют отношение к производительности судна. Стимуляция мышц и сокращение от таких факторов, как ацетилхолин и эпинефрина могут быть использованы для тестирования сократительной силы мышц. Такие эксперименты рассматриваются для наших будущих исследований.
В целом, полученные нами результаты показывают, что кольцо штабелирование метод может быть легко масштабируетсядля достижения ряда спроектированных размеров сосудистой ткани. Расширение масштабов для крупнейших человеческих сосудов, таких как 40 мм диаметр просвета сосуда аорты, скорее всего, потребует разработки Vasa vasorum, микрососудов естественным образом присутствуют в больших размеров сосудов, что наша лаборатория в настоящее время развивается. Кроме того, слой клеток эндотелия (т.е. интимы) , которые обычно выстилает Просвет медиа слоя имеет важное значение для установления правильного гемодинамику в сосуде. Наша лаборатория в настоящее время работает над созданием интиме в нашем SMC кольцевой стек с помощью сосудистых эндотелиальных клеток человека. С помощью этих комбинированных технологий, спроектированные суда будут иметь большую применимость в клинику.
Авторы не имеют ничего раскрывать.
Авторы хотели бы поблагодарить наших коллег сотрудник Лам лаборатории Аммар Чишти и Bijal Пател за любезную помощь с некоторыми из гистологии и клеточной культуре. Финансирование было предоставлено в Wayne State University Nanomedicine Fellowship (CBP), стартовый капитал и научно-исследовательский институт сердечно-сосудистой системы Seed Grant (MTL).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Human Aortic Smooth Muscle Cells | ATCC | PCS-100-012 | vascular smooth muscle cells |
Medium 231 | Gibco (Life Technologies | M-231-500 | media specific to vascular smooth muscle cells |
Human Aortic Smooth Muscle Cell Growth Kit | ATCC | PSC-100-042 | growth factors for maintaining vascular smooth muscle cell viability |
Replicator Mini 3D printer | MakerBot | N/A | 3D printer |
Poly(lactic acid) 3D ink (PLA) | MakerBot | N/A | 3D printer filament |
Poly(dimethlysiloxane) (PDMS) | Ellworth Adhesives | 3097358-1004 | polymer for gluing plate parts |
Fibrinogen | Hyclone Labratories, Inc. | SH30256.01 | fibrin gel component |
Thrombin | Sigma Life Sciences | F3879-5G | fibrin gel component |
Tranforming Growth Factor-Beta 1 | PeproTech | 100-21 | growth factor for stimulating collagen production |
Hemocytometer | Hausser Scientific Co. | 3200 | for cell counting |
Polycarbonate tubing | US Plastics | PCTUB1.750X1.625 | material for making tall, ring stacking plates |
Polycarbonate sheet | Home Depot | 409497 | material for making tall, ring stacking plates |
Adhesive polymer solvent | SCIGRIP | 10799 | material for making tall, ring stacking plates |
Instron 5940 | Instron | N/A | tensile testing machine |
U-Stretch | Cell Scale | N/A | tensile testing machine |
Smooth Muscle Actin | MA5-11547 | Thermo Fisher | antibody |
Tropomyosin | MA5-11783 | Thermo Fisher | antibody |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены