Elastomer-PGS Scaffolds in Arterial Tissue Engineering
Summary
Elastomer-PGS Gerüste mit vaskulären glatten Muskelzellen in einem pulsatilen Fluss Bioreaktor kultiviert kann, um vielversprechende kleinem Durchmesser arteriellen Konstrukte mit nativen ECM-Produktion in einem relativ kurzen Zeitraum Kultur führen.
Abstract
Kardiovaskuläre Erkrankungen sind eine der führenden Todesursachen in den USA und vor allem, erhöht koronarer Herzkrankheit mit einer alternden Bevölkerung und der steigenden Fettleibigkeit 1. Derzeit Bypass-Operation unter Verwendung von autologen Gefäßen, Allografts und synthetische Transplantate werden als gemeinhin für arterielle Ersatzstoffe verwendet 2 bekannt. Allerdings haben diese Transplantate begrenzte Anwendungen bei einem inneren Durchmesser von Arterien weniger als 6 mm aufgrund der geringen Verfügbarkeit, thrombotischen Komplikationen, Compliance mismatch, und am späten Intimahyperplasie 3,4 ist. Um diese Einschränkungen zu überwinden, hat das Tissue Engineering erfolgreich als eine vielversprechende Alternative zu kleinem Durchmesser arteriellen Konstrukte, die nonthrombogenic, robust und konform sind zu entwickeln angewendet. Mehrere frühere Studien haben kleinem Durchmesser arteriellen Konstrukte mit Tri-Lamellenstruktur, ausgezeichnete mechanische Eigenschaften und Berstdruck vergleichbar mit nativen Arterien 5,6 entwickelt. Während eine hohe Zugfestigkeit und Berstdruck durch die Erhöhung die Produktion von Kollagen aus einem starren Material oder Zellrasen Gerüst, diese Konstrukte immer noch niedrigen Elastin Produktions-und Compliance, die ein großes Problem für Transplantatversagen nach der Implantation zu verursachen. Angesichts dieser Probleme stellten wir die Hypothese, dass eine elastomere Biomaterial mit mechanischer Klimaanlage kombiniert würden Elastizität bieten und führen mechanische Signale effizienter zu vaskulären Zellen, die extrazelluläre Matrix Produktion zu erhöhen und die Unterstützung zelluläre Orientierung.
Das Ziel dieses Berichts ist es, eine Herstellungstechnik von porösen röhrenförmigen Gerüsten und einer dynamisch-mechanischen Konditionierung ihrer Anwendung auf arterielle Tissue Engineering vorstellen. Wir haben ein biologisch abbaubares Elastomer, Poly (Glycerin sebacat) (PGS) 7 zur Herstellung von porösen röhrenförmigen Gerüsten aus dem Salz Fusion-Methode. Adult primäre Pavian glatten Muskelzellen (SMC) wurden auf das Lumen von Gerüsten, die in unserem konzipiert pulsatilen Fluss Bioreaktor für 3 Wochen kultiviert ausgesät. PGS Gerüste hatte konstante Dicke und zufällig verteilten Makro-und Mikro-Poren. Mechanische Konditionierung von pulsatilen Fluss Bioreaktor unterstützt SMC Orientierung und verbesserte ECM-Produktion in Gerüsten. Diese Ergebnisse legen nahe, dass elastomere Gerüste und mechanische Aufbereitung der Bioreaktor Kultur kann eine Erfolg versprechende Methode für die arterielle Tissue Engineering werden.
Protocol
Discussion
Die Herstellungstechnik mit einem biologisch abbaubaren Elastomer hier beschriebenen hat mehrere Funktionen. (1) Wir verwendeten Hyaluronsäure (HA) als Trennmittel. Da HA ist wasserlöslich, war Gerüst leicht von der Glasform nach Einweichen in Wasser gelöst. In diesem Bericht verwendeten wir 1,0 Gew. / Vol% der HA-Lösung, weil niedrige Konzentration (<0,5 wt / vol%) der Lösung ist nicht zähflüssig und fließt so schnell, als wir es in Strömen auf der Glasröhren. Zur Beschichtung HA-Lösung gleichmäßig, klappte die wir in den Glasröhren, wenn die Lösung flog der Unterseite der Schläuche und wiederholt diesen Schritt. Diese HA-Beschichtung ist eine kritische, um unsere Fertigung Verfahren zur Freigabe letzten Gerüste. (2) Wir verwendeten Schrumpfschlauch (HS) Hülse für die Beibehaltung Salze in den Glasröhren. Da Salze wurden dicht in den Raum zwischen der Innenwand der Glasröhren und die HS Ärmel gepackt, behielt HS Ärmel Salze nach dem Entfernen Dorn und PTFE-Ring in den Boden des Schlauchs. Wir konnten HS Ärmel leicht entfernen, indem man die Form in einem Ofen bei 120 ° C für 5 min, und dann bekommen röhrenförmigen Salz-Vorlagen. (3) Wir benutzten das Salz Fusion-Methode. Es ist bekannt, dass Salz Fusion-Methode kann Pore Interkonnektivität und die mechanischen Eigenschaften durch Variation fusion Zeit 10 zu verbessern. Darüber hinaus, da wir PGS verwendet wurden Makro-Poren, die durch das Salz Partikel während der Laugung Verfahren hergestellt, während die Mikroporen wurden wahrscheinlich durch Glycerin erzeugte Dampf gebildet während PGS Aushärtung wie wir vorher 11 beschrieben. So hat diese Methode das Potenzial, porösen röhrenförmigen Gerüsten mit verschiedenen Makro-und Mikro-Strukturen herzustellen durch Variation Salzpartikel sowie PGS Aushärtung Zustand.
Die mechanische Konditionierung aus dem Bioreaktor hat pulsatilen Fluss Perfusion zur Verfügung gestellt (maximale mittlere Durchfluss = 14 ml / min, maximale Schubspannung = 15,3 dyn / cm 2, Frequenz = 0,5 bis 1,7 Hz) und physiologisch relevanten Druck mit dem PGS Gerüst, das dazu geführt, SMC Wachstum und Orientierung (Abb. 4). Diese Ergebnisse stimmen mit früheren Studien berichten, dass zyklische Dehnung bei dieser Frequenz und Schubspannung erhöht SMC-Proliferation 12 und ECM Proteinproduktion 13,14. Zusätzlich zu SMC Wachstum und Orientierung, PGS ECM Protein-Produktion unterstützt zu konstruieren, insbesondere den Umfang elastischen Fasern (Abb. 5) innerhalb von 3-Wochen-Kultur im Bioreaktor organisiert. Einige Studien unter Verwendung eines elastomeren Gerüst als kleinem Durchmesser arteriellen konstruieren, mechanische Festigkeit und Berstdruck vergleichbar mit nativen Arterien 15, und eine schnelle Integration in SMC-konform Gerüste mit Spinnerflasche 16,17 gezeigt, während keine elastischen Fasern in diesen Konstrukten gefunden wurden. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass zyklische radiale Ausdehnung aus dem Bioreaktor verbesserte mechanische Signalübertragung effizienter zu SMCs in PGS Gerüst, was wahrscheinlich dazu beigetragen, Synthese und Organisation Elastin.
Da vaskuläre SMCs waren die einzigen Zellen, die ECM-Proteine in unserem Ansatz, Ruhestrom Endothel produziert und Verbesserung der mechanischen Festigkeit sind notwendig, um eine klinisch erfolgreiche kleinem Durchmesser arteriellen Konstrukte zu entwickeln. Wir haben berichtet, dass Endothelzellen mit SMCs erwirtschaftete einen Monolayer und unterstützt Phänotyp-Protein-Expression unter unseren Kulturbedingungen und mechanischen Konditionierung 9 Co-kultiviert. Deshalb, basierend auf unserem Ansatz hier beschriebenen Modifikation der Co-Kultur Versuchsbedingungen wäre ein nächster Schritt, um die Funktionen der daraus resultierenden Konstrukte zu verbessern und zu generieren nonthrombogenic, robust sein und konform arteriellen Konstrukt ähnlich nativen Arterien.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Der Autor dankt Dr. Jin Gao für PGS-Synthese, Dr. Peter Crapo für aufschlussreiche Diskussion für Bioreaktor-Setup, Drs. Mohamed Ezzelarab und Wei Wu für Explantation Pavian Halsschlagadern. Diese Studie wurde durch ein Stipendium der National Institutes of Health (R01 HL089658) unterstützt.
Materials
| Name of the reagent | Company | Catalogue number |
|---|---|---|
| Hyaluronic acid sodium salt | Sigma-Aldrich | H7630 |
| Tetrahydrofuran | Sigma-Aldrich | 401757 |
| MCDB 131 | Mediatech | 15-100-CV |
| Fetal bovine serum | Lonza | BW14-502F |
| L-glutamine | Mediatech | 25-005-CV |
| Ascorbic acid | Fisher Scientific | A62-500 |
| Antibiotic-antimycotic solution | Mediatech | 30-004-CI |
| Phosphate Buffered Saline (PBS) | Mediatech | 21-031-CV |
| Tissue-Tek optimal cutting temperature compound, 4583 | Sakura Finetek | 25608-930 |
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