مفاعل حيوي متعدد العظة لتقييم القدرة الالتهابية والتجديدية للمواد الحيوية تحت التدفق والتمدد

هندسة أنسجة القلب والأوعية الدموية (TE) ويجري السعي كخيار علاج بديل لأطراف القلب والأوعية الدموية المستخدمة حاليا دائمة (على سبيل المثال، ترقيع الأوعية الدموية، واستبدال صمام القلب)، والتي هي دون المستوى الأمثل لأفواج كبيرة من المرضى^1،2،3،4. وتشمل التطبيقات المطلوبة كثيرا بعد ترقيع الأوعية الدموية المهندسة الأنسجة (TEVGs)^5و6 وصمامات القلب (TEHVs)^7،8. في معظم الأحيان، تستخدم منهجيات TE القلبية الوعائية المواد الحيوية القابلة لإعادة التكثير (سواء كانت طبيعية أو اصطناعية) التي تعمل سقالة مفيدة للأنسجة الجديدة التي سيتم تشكيلها. تشكيل نسيج جديد يمكن إما أن تكون هندسية تماما في المختبر، عن طريق بذر السقالة مع الخلايا وزراعة في مفاعل حيوي قبل زرع (في المختبر TE)^9،10،11، أو مباشرة في الموقع، والتي يتم زرع السقالة الاصطناعية دون زرع قبل من أجل الحث على تشكيل أنسجة جديدة مباشرة في الجسم (في الموقع TE)^12،13،14. لكل من المختبر وفي الموقع نهج TE القلب والأوعية الدموية، وتجديد وظيفي ناجح يعتمد بشكل مهيمن على كل من الاستجابة المناعية المضيف لبناء مزروع وتحميل الميكانيكا الحيوية المناسبة.

أهمية التحميل الميكانيكي الحيوي لTE القلب والأوعية الدموية هو معترف به جيدا¹⁵. في حالة زراعة القلب والأوعية الدموية ، تتعرض الخلايا التي تملأ السقالة لإجهادات التمدد الدوري والقص التي تنشأ نتيجة للبيئة الدموية. وقد ذكرت العديد من الدراسات تأثير تحفيزي من (دوري) تمتد على تشكيل مكونات مصفوفة, مثل الكولاجين^16,17,18,19, الجليكوسامينوجليكان (GAGs)²⁰, والإيلاستين^21,22, من قبل أنواع مختلفة من الخلايا. على سبيل المثال، أثبت هوانغ وآخرون أن امتداد ثنائي ساكسيال رفع ترسب وتنظيم الكولاجين والإيلاستين في المختبر TEVGs باستخدام مفاعل حيوي الأوعية الدموية²³. في حين أن التركيز يكمن عادة على التمدد كحمل مهيمن ، فإن هذه الدراسات غالبا ما تستخدم المفاعلات الحيوية التي تحركها التدفق والتي تتعرض فيها العينة أيضا لتدفق القص. على الرغم من أنه لا يعرف سوى القليل نسبيا عن التأثير المعزول لضغوط القص على تكوين الأنسجة والالتهاب في 3D ، إلا أن بعض البيانات متوفرة. على سبيل المثال، أظهر Hinderer et al. و Eoh وآخرون أن تدفق القص، بالإضافة إلى البنية الدقيقة للسقالة ثلاثية الأبعاد، كان مهما لتشكيل الإيلاستين الناضج بواسطة خلايا العضلات الملساء الوعائية البشرية في نظام نموذج المختبر^24،25. وإجمالا، توضح هذه النتائج أهمية كل من التمدد الدوري والإجهاد القصي ل TE القلبي الوعائي.

محدد مهم آخر لنجاح أو فشل يزرع TE هو استجابة المضيف المناعية للكسب غير المشروع المزروعة²⁶. وهذا مهم بشكل خاص لاستراتيجيات TE التي تحركها المواد في الموقع ، والتي تعتمد في الواقع على الاستجابة الالتهابية الحادة للسقالة لبدء العمليات اللاحقة لتدفق الخلايا وتشكيل الأنسجة الذاتية وإعادة عرض²⁷. الماكروفاج هو البادئ الحاسم لتجديد الأنسجة الوظيفية، والتي أظهرتها دراسات متعددة^28،29،30. مماثلة لتضميد الجروح، ويحكم تجديد الأنسجة من قبل إشارات الباراكورين بين الضامة والخلايا المنتجة للأنسجة مثل الخلايا الليفية والخلايا العضلية^{الليفية 31،32،33}. بالإضافة إلى تنسيق ترسب الأنسجة الجديدة ، وتشارك الضامة في ارتشاف نشط من المواد سقالة الأجنبية^34،35. على هذا النحو ، تم تحديد استجابة الضامة في المختبر للمواد الحيوية كمعلمة تنبؤية لنجاح الجسم الحي للغرسات^36و37و38.

تعتمد استجابة الضامة على السقالة المزروعة على ميزات تصميم السقالات مثل تكوين المواد والبنية المجهرية^35و39و40. بالإضافة إلى خصائص السقالة ، تتأثر استجابة الضامة إلى سقالة ومكائدها المتقاطعة مع الخلايا الميوفيبروبلاست أيضا بالأحمال الديناميكية الدموية. على سبيل المثال، تبين أن امتداد دوري هو المغير المهم للنمط الظاهري الضام^{41،42،43،44} وإفراز السيتوكينات⁴³،^44،45،46 في سقالات كهربائية ثلاثية الأبعاد. باستخدام نظام الثقافة المشتركة من الضامة وخلايا العضلات الملساء الوعائية، أظهر باتيستون وآخرون أن وجود الضامة أدى إلى زيادة مستويات الإيلاستين وGAGs وأن المستويات المعتدلة من الامتداد الدوري (1.07-1.10) حفزت ترسب الكولاجين I والإيلاستين⁴⁷. في الأعمال السابقة، لقد أثبتنا أن الإجهاد القص هو محدد مهم للتجنيد monocyte في سقالات electrospun 3D^48،49،وأن كلا من الإجهاد القص وتمتد دوري تؤثر على الإشارات الباراترين بين الخلايا الأحادية البشرية والخلايا النجمية mesenchymal⁵⁰. أظهر فاهي وآخرون أن تدفق القص زاد من إفراز السيتوكينات المؤيدة للالتهابات بواسطة الخلايا الأحادية البشرية^51.

إذا أخذنا معا، فإن الأدلة المذكورة أعلاه تظهر أن الفهم الكافي للأحمال الديناميكية الدموية والتحكم فيها أمر بالغ الأهمية ل TE القلب والأوعية الدموية، وأنه من المهم النظر في الاستجابة الالتهابية لتحقيق ذلك. وقد وصفت العديد من المفاعلات الحيوية سابقا للمزود في المختبر^{52،53،54،55،56،57،58} أو ex vivo^59،60،61 ثقافة أنسجة القلب والأوعية الدموية. ومع ذلك، تم تصميم جميع هذه الأنظمة لمحاكاة ظروف التحميل الهيمودية الفسيولوجية قدر الإمكان. في حين أن هذا هو قيمة للغاية لغرض خلق أنسجة القلب والأوعية الدموية في المختبر أو الحفاظ على الثقافات الجسم الحي السابق، مثل هذه النظم لا تسمح لدراسات منهجية في الآثار الفردية للإشارات الفردية. وذلك لأن تطبيق كل من التمدد الدوري والإجهاد القص في هذه المفاعلات الحيوية مدفوعة بنفس التدفق المضغوط ، الذي يربط بينهما في جوهره. في حين تم وصف النظم الدقيقة التي تسمح للتلاعب الميكانيكية متعددة جديلة دقيقة لركائز 2D⁶² أو 3D هيدروجيل الاجهزة^63،64، مثل هذه الاجهزة لا تسمح لدمج السقالات 3D elastomeric المواد الحيوية.

هنا، نقدم تطبيق نظام المفاعل الحيوي أنبوبي التي تمكن بشكل فريد من فصل الإجهاد القص وتمتد دوري ويساعد على التحقيق ميكانيكيا آثارها الفردية والمجمعة. يسمح هذا النظام باختبار مجموعة واسعة من ترقيع الأوعية الدموية المهندسة للأنسجة (على سبيل المثال ، المنشأ الاصطناعي أو الطبيعي ، والهندسة المعمارية الدقيقة المختلفة ، والمساميات المختلفة). لفصل فعال تطبيق الإجهاد القص وتمتد، والمفاهيم الرئيسية التي يستخدمها المفاعل الحيوي هي (1) فصل السيطرة على الإجهاد القص وتمتد باستخدام أنظمة مضخة متميزة و (2) تحفيز السقالات بطريقة “من الداخل إلى الخارج” مع أبعاد مدفوعة حسابيا. يتم تطبيق التدفق على السطح الخارجي للسقالة الأنبوبية من خلال استخدام مضخة تدفق ، في حين يتم حث الامتداد المحيطي للسقالة عن طريق توسيع أنبوب السيليكون الذي يتم تركيب السقالة عليه من خلال استخدام مضخة إجهاد منفصلة. يتم اختيار أبعاد أنبوب السيليكون وأنبوب الزجاج الذي يحتوي على البناء بعناية والتحقق من صحتها باستخدام محاكاة ديناميات السوائل الحسابية ، لضمان أن إجهاد القص على السقالة (بسبب التدفق) والتمدد المحيطي (بسبب توسع الأنبوب) لا يؤثران بشكل كبير على بعضهما البعض. هذا التصميم من الداخل إلى الخارج له عدة مبررات عملية. إذا تم تطبيق التمدد بواسطة ضغط السائل الإنارة (على غرار التحميل الفسيولوجي) ، فإنه يتطلب بطبيعته تصميم العينة لتكون خالية من التسرب. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الضغط المطلوب لتمديد العينة سيتم تحديده بالكامل من خلال صلابة العينة ، والتي قد تختلف بين العينات وداخل عينة مع مرور الوقت ، مما يجعل من الصعب التحكم في الامتداد. هذا المفاعل الحيوي يتصاعد الكسب غير المشروع الأنسجة المهندسة حول أنبوب السيليكون ويسمح لتطبيق الإجهاد القص الجدار (WSS) على الجدار الخارجي للكسب غير المشروع ويضغط على الكسب غير المشروع من الداخل. وبهذه الطريقة ، يمكن ضمان ظروف تحميل متساوية بين العينات وداخل العينات مع مرور الوقت ، وعلاوة على ذلك ، يسمح للعينات بأن تكون متسربة ، كما هو شائع للسقالات الوعائية المسامية^19. يهدف هذا المفاعل الحيوي من الداخل إلى الخارج على وجه التحديد لإجراء دراسات منهجية حول آثار القص و / أو التمدد ، بدلا من هندسة وعاء دموي يشبه الأم في المختبر ، والذي تكون أجهزة المفاعل الحيوي الوعائية التقليدية أكثر ملاءمة له. انظر الشكل 1ألف – باء للاطلاع على رسومات تصميم المفاعل الحيوي، والجدول 1 المقابل له للحصول على وصف وظيفي ومنطقي وراء المكونات الرئيسية للمضبر الحيوي.

ويتجلى استخدام المفاعل الحيوي على أساس سلسلة من الدراسات الحديثة من قبل مجموعتنا التي قمنا بالتحقيق في التأثيرات الفردية والمجمعة من إجهاد القص وتمتد دوري على الالتهاب وتشكيل الأنسجة في سقالات electrospun قابلة لإعادة التكهرب في الموقع أنسجة القلب والأوعية الدموية^19،43،44. وتحقيقا لتلك الإنسان الضامة والخلايا الميوفيبرومية إما في أحادية أو في ثقافة مشتركة لمحاكاة مختلف مراحل سلسلة التجدد في الموقع. لقد أثبتنا أن إفراز السيتوكين بواسطة الضامة البشرية يتأثر بشكل واضح بكل من التمدد الدوري والإجهاد القصي ، مما يؤثر على ترسب المصفوفة وتنظيمها من قبل الخلايا العضلية البشرية في هذه السقالات ، سواء عن طريق إشارات الباراكورين والاتصال المباشر^19،43،44. وتجدر الإشارة إلى أن هذه الدراسات كشفت أنه في حالة التطبيق المشترك للإجهاد القص وتمتد، والآثار على تشكيل الأنسجة والتهاب إما تهيمن عليها واحدة من اثنين من الأحمال، أو هناك آثار التآزر من كلا الأحمال. توضح هذه النتائج أهمية فصل كلا الحمولتين للحصول على فهم أفضل لمساهمة البيئة الميكانيكية في عمليات TE. ويمكن تطبيق هذا الفهم لتحسين منهجي المعلمات تصميم سقالة في أنظمة التحميل الحيوية ذات الصلة. وبالإضافة إلى ذلك، فإن البيانات الآلية المستمدة من هذه البيئات التي تسيطر عليها سيطرة جيدة قد تكون بمثابة مدخلات للنماذج العددية التي يجري تطويرها للتنبؤ بمسار إعادة عرض الأنسجة في الموقع، كما ورد مؤخرا بالنسبة ل TEVGs⁶⁵ أو TEHVs^66،لزيادة تحسين القدرة التنبؤية.