وقد استخدمت الخلايا البطانية الوريد السري البشري (HUVECs) وأنواع الخلايا البطانية الأولية الأخرى لمدة عقدين لنمذجة الأوعية الدموية تنبت والتنمية في المختبر¹. هذه المنصات الوعائية وعد لإلقاء الضوء على الآليات الجزيئية والأنسجة على مستوى أمراض القلب والأوعية الدموية، ويمكن أن تقدم نظرة فسيولوجية في تطوير شبكات الأوعية الدموية البدائية^2،3. على الرغم من أن مجال النمذجة الوعائية قد شهد تقدما كبيرا، فإن اختبار “المعيار الذهبي” الذي يمكن أن نموذج كميا وتقييم تطور الأوعية الدموية الفسيولوجية لا يزال بعيد المنال. معظم البروتوكولات المنشورة لا تلخص بشكل كاف محراب الأوعية الدموية لتشجيع تشكيل الأوعية الدموية الناضجة والوظيفية أو ليس لديها طريقة لمقارنة كمية الإمكانات الأوعية الدموية لأنواع الخلايا المقدرة في ثلاثة أبعاد ( 3D).

العديد من نماذج الأوعية الدموية الحالية محدودة في قدرتها على تقليد محراب الأوعية الدموية الفسيولوجية. واحدة من الأكثر شيوعا المستخدمة في منصات المختبر هو البروتين الجيلاتيني القائم على خليط أنبوب تشكيل الاختبار. باختصار، يتم بذر HUVECs كخلايا واحدة على طبقة رقيقة من هلام الذي يتكون من البروتينات التي يتم حصادها من مصفوفة ساركوما المورين خارج الخلية (ECM)؛ في غضون يوم واحد إلى يومين، وHUVECs تجميع الذاتي في أنابيب بدائية^4. ومع ذلك، تحدث هذه العملية في بعدين (2D) والخلايا البطانية (ECs) المستخدمة في هذا الفحص لا تشكل المغلقة، لومن جوفاء، وبالتالي الحد من الأهمية الفسيولوجية لهذه الدراسات. في الآونة الأخيرة، تم زراعة الخلايا الجذعية الإلكترونية والخلايا الداعمة (على سبيل المثال، الخلايا الجذعية المتوسطة (MSCs) وpericytes) في بيئات دقيقة ثلاثية المدة تحاكي الهندسة المعمارية الليفية لـ ECM الأصلي، مثل الكولاجين أو هيدروجيلات الفيبرين⁵. لنموذج تطوير الأوعية الدموية في هذه البيئة الدقيقة،وتستخدم عادة الخرز البوليمرالمغلفة مع ECs 6. إضافة عوامل النمو الخارجية و / أو عوامل النمو التي تفرزها الخلايا الأخرى جزءا لا يتجزأ من hydrogel يمكن أن تحفز ECs، طلاء الخرز البوليمري، لتنبت وتشكيل تجويف واحد؛ ويمكن بعد ذلك حساب عدد وقطر البراعم والأوعية. ومع ذلك، هذه البراعم هي فريدة من نوعها ولا تشكل شبكة مغلقة ومتصلة كما هو الحال في الظروف الفسيولوجية، وبالتالي هو أكثر تذكرنا نموذج الأوعية الدموية الورم. كما تم استخدام الأجهزة الميكروفلويدية لتقليد محراب الأوعية الدموية وتعزيز تشكيل الأوعية الدموية في هيدروجيلات محملة بالجماعة الأوروبية^7،8. عادة، يتم تطبيق عامل نمو الأوعية والتدرج إلى وسط ثقافة الخلية المتداولة للحث على هجرة الجماعة الأوروبية وتنبت. الـ ECs التي تشكل تجويف الأوعية المتقدمة حساسة لإجهاد القص الناجم عن تطبيق تدفق السوائل من خلال الجهاز الميكروفلويديك؛ وبالتالي، فإن هذه الأجهزة microfluidic التقاط المعلمات الفسيولوجية الرئيسية التي لا يمكن الوصول إليها في النماذج الثابتة. ومع ذلك، تتطلب هذه الأجهزة قدرات تصنيع دقيق مكلفة.

والأهم من ذلك، جميع نماذج الأوعية الدموية الثلاثة (2D، 3D، microfluidic) تستخدم بشكل ساحق ECs الأولية، فضلا عن أنواع الخلايا الداعمة الأولية. لا يمكن تطوير الخلايا الأولية إلى علاج فعال للقلب والأوعية الدموية لأن الخلايا من شأنها أن تولد استجابة مناعية عند الزرع. وعلاوة على ذلك، HUVECs وأنواع الخلايا الأولية المماثلة ليست خاصة بالمريض ولا تلتقط تشوهات الأوعية الدموية التي تحدث في المرضى الذين يعانون من التصرف الوراثي أو الظروف الصحية الموجودة من قبل، على سبيل المثال، مرض السكري. ظهرت الخلايا الجذعية متعددة القوى المستحثة (iPSCs) في العقد الماضي كمصدر للخلايا التكاثرية الخاصة بالمريض التي يمكن تمييزها في جميع الخلايا الجسدية في جسم الإنسان⁹. وعلى وجه الخصوص، نُشرت بروتوكولات تحدد توليد وعزل الذرية البطانية المستمدة من iPSC (iPSC-EPs)¹⁰و11؛ iPSC-EPs ثنائية القدرة، وبالتالي، يمكن تمييزها أكثر في الخلايا البطانية وخلايا العضلات الملساء / pericytes، لبنات بناء الأوعية الدموية الناضجة والوظيفية. وقد فصلت دراسة واحدة فقط بشكل مقنع تطوير الضفيرة الشعرية الأولية من iPSC-EPs في بيئة دقيقة 3D¹²; على الرغم من أن هذه الدراسة أمر بالغ الأهمية لفهم الجمعية iPSC-EP والتمايز في هيدروجيلات الطبيعية والاصطناعية، فإنه لم يقارن كميا طبولوجيا الشبكة من الأوعية الدموية الناتجة. وقد استخدمت دراسة حديثة أخرى نموذج حبة البوليمر ية لمقارنة تنبت HUVECs وECs المستمدة من iPSC⁵. لذلك، هناك حاجة واضحة لمزيد من توضيح آليات الإشارات الفيزيائية والكيميائية التي تنظم الأوعية الدموية iPSC-EP في البيئات الدقيقة 3D وتحديد ما إذا كانت هذه الخلايا مناسبة للعلاج الإقفاري وأمراض القلب والأوعية الدموية النمذجه.

وفي العقد الماضي، تم تطوير خطوط أنابيب حسابية مفتوحة المصدر وخوارزميات هيكل عظمي مختلفة لتحديد طول شبكة الأوعية الدموية وترابطها ومقارنتهما. على سبيل المثال، وضعت Charwat وآخرون خط أنابيب يستند إلى فوتوشوب لاستخراج مرشحة، صورة binarized من شبكات الأوعية الدموية المستمدة من ثقافة مشتركة من الخلايا الجذعية المشتقة من الدهنية وECs في مصفوفة الفيبرين^13،14. ربما أداة مقارنة الطبولوجيا الأكثر استخداما هو AngioTool, برنامج نشر على الانترنت من قبل المعهد الوطني للسرطان¹⁵; على الرغم من اعتماد البرنامج على نطاق واسع والإخلاص موثقة جيدا، ويقتصر البرنامج على تحليل هياكل تشبه السفن في بعدين وبرامج أخرى، بما في ذلك أنجيوسيس وويماسيس، تشترك في نفس الحد من الأبعاد¹⁶. وقد تم تطوير أجنحة برامج قوية مثل Imaris, Lucis, وMetamorph لتحليل طبولوجيا الشبكة من microvasculature المهندسة; ومع ذلك، هذه الأجنحة باهظة التكلفة لمعظم المختبرات الأكاديمية وتحد من الوصول إلى التعليمات البرمجية المصدر، والتي قد تعوق قدرة المستخدم النهائي على تخصيص الخوارزمية لتطبيقها المحدد. 3D تقطيع اللحم، وهو مفتوح المصدر التصوير بالرنين المغناطيسي / الحوسبة التصوير المقطعي حزمة، يحتوي على مجموعة أدوات النمذجة الأوعية الدموية التي يمكن تحليل فعال طبولوجيا شبكات الأوعية الدموية 3D¹⁷؛ ومع ذلك، يعتمد التحليل على وضع المستخدم يدوياً النقاط النهائية للشبكة، والتي قد تصبح مملة عند تحليل مجموعة بيانات كبيرة ويمكن أن تتأثر بتحيزات المستخدم اللاشعورية. في هذه المخطوطة، يتم وصف خط أنابيب حسابي يمكن أن يحدد مقدار شبكات الأوعية الدموية ثلاثية المدة بالتفصيل. للتغلب على القيود المذكورة أعلاه، يستخدم خط الأنابيب الحسابي المفتوح المصدر هذا ImageJ إلى الصور البؤرية المكتسبة قبل العملية لتحميل وحدة التخزين ثلاثية الأبعاد في محلل هيكل عظمي. محلل الهيكل العظمي يستخدم خوارزمية رقيق محور وسيط ة موازية، وقد تم تطويره في الأصل من قبل Kerschnitzki وآخرون لتحليل طول واتصال شبكات osteocyte¹⁸; يمكن تطبيق هذه الخوارزمية بشكل فعال لتوصيف طول واتصال microvasculature المهندسة.

وإجمالاً، يحدد هذا البروتوكول إنشاء شبكات الأوعية الدموية الدقيقة في البيئات الدقيقة ثلاثية الجوانب، ويوفر خط أنابيب حسابي مفتوح المصدر وخال ٍ من تحيز المستخدم لمقارنة الإمكانات الأوعية الدموية للـ iPSC-EPs بسهولة.