Un biorreactor multipíca para evaluar la capacidad inflamatoria y regenerativa de los biomateriales bajo flujo y estiramiento

La ingeniería de tejidos cardiovasculares (TE) se está llevando a cabo como una opción de tratamiento alternativa a las prótesis cardiovasculares permanentes utilizadas actualmente (por ejemplo, injertos vasculares, reemplazos de válvulas cardíacas), que son subóptimas para grandes cohortes de pacientes^1,2,3,4. Las aplicaciones muy buscadas incluyen injertos vasculares de ingeniería tisular (TEVG)^5,6 y válvulas cardíacas (TEHV)^7,8. La mayoría de las veces, las metodologías cardiovasculares de TE hacen uso de biomateriales reabsorbibles (ya sean naturales o sintéticos) que sirven como un andamio instructivo para que se forme el nuevo tejido. La formación de nuevo tejido puede ser diseñada completamente in vitro, sesementando el andamio con células y culturando en un biorreactor antes de la implantación (TE in vitro)^9,10,11,o directamente in situ, en el que el andamio sintético se implanta sin precultivo para inducir la formación de nuevo tejido directamente en el cuerpo (TE in situ)^12,13,14. Para los enfoques de TE cardiovascular in vitro e in situ, la regeneración funcional exitosa depende predominantemente tanto de la respuesta inmune del huésped a la construcción implantada como de la carga biomecánica adecuada.

La importancia de la carga biomecánica para la TE cardiovascular es bien reconocida¹⁵. En el caso de los implantes cardiovasculares, las células que pueblan el andamio están expuestas a estiramientos cíclicos y tensiones de cizallamiento que surgen como resultado del entorno hemodinámico. Numerosos estudios han reportado el efecto estimulante del estiramiento (cíclico) en la formación de componentes de la matriz, como el colágeno^16,17,18,19,glicosaminoglicanos (GAG)²⁰y elastina^{21, 22,}por varios tipos de células. Por ejemplo, Huang et al. demostraron que el estiramiento biaxial elevaba la deposición y organización de colágeno y elastina en TEVG in vitro mediante el uso de un biorreactor vascular²³. Si bien el énfasis generalmente se encuentra en el estiramiento como la carga dominante, estos estudios a menudo hacen uso de biorreactores impulsados por flujo en los que la muestra también está expuesta al flujo de cizalla. Aunque se sabe relativamente poco sobre la influencia aislada de las tensiones de cizallamiento en la formación de tejidos y la inflamación en 3D, hay algunos datos disponibles. Por ejemplo, Hinderer et al. y Eoh et al. demostraron que el flujo de cizallamiento, además de una microestructura de andamio 3D, era importante para la formación de elastina madura por células del músculo liso vascular humano en un sistema modelo in vitro^24,25. En conjunto, estos hallazgos ilustran la relevancia tanto del estiramiento cíclico como del estrés cizallamiento para la TE cardiovascular.

Otro determinante importante para el éxito o fracaso de los implantes TE es la respuesta inmune del huésped al injerto implantado²⁶. Esto es particularmente importante para las estrategias de TE in situ impulsadas por materiales, que en realidad se basan en la respuesta inflamatoria aguda al andamio para iniciar los procesos posteriores de afluencia celular y formación y remodelación endógena de tejidos²⁷. El macrófago es un iniciador crítico de la regeneración funcional del tejido, lo que ha sido demostrado por múltiples estudios^28,29,30. Análoga a la cicatrización de heridas, la regeneración del tejido se rige por la señalización paracrina entre los macrófagos y las células productoras de tejido como los fibroblastos y los miofibroblastos^31,32,33. Además de coordinar la nueva deposición de tejido, los macrófagos están involucrados en la reabsorción activa de material de andamio extraño^34,35. Como tal, la respuesta in vitro de los macrófagos a un biomaterial se ha identificado como un parámetro predictivo para el éxito in vivo de los implantes^36,37,38.

La respuesta de los macrófagos a un andamio implantado depende de las características de diseño del andamio, como la composición del material y la microestructura^35,39,40. Además de las propiedades del andamio, la respuesta de los macrófagos a un andamio y su diafonía con miofibroblastos también se ve afectada por las cargas hemodinámicas. Por ejemplo, se demostró que el estiramiento cíclico es un importante modulador del fenotipo de macrófagos^41,42,43,44 y la secreción de citoquinas^43,44,45,46 en andamios electrospun 3D. Utilizando un sistema de coculto de macrófagos y células del músculo liso vascular, Battiston et al. demostraron que la presencia de macrófagos condujo a un aumento de los niveles de elastina y GAG y que los niveles moderados de estiramiento cíclico (1.07-1.10) estimularon la deposición de colágeno I y elastina^47. En trabajos anteriores, hemos demostrado que el esfuerzo por cizallamiento es un determinante importante para el reclutamiento de monocitos en andamios electrospun 3D^48,49,y que tanto el esfuerzo por cizallamiento como el estiramiento cíclico afectan la señalización paracrina entre los monocitos humanos y las células del estroma mesenquimal⁵⁰. Fahy et al. demostraron que el flujo de cizallado aumentaba la secreción de citoquinas proinflamatorias por los monocitos humanos⁵¹.

En conjunto, la evidencia anterior muestra que una comprensión adecuada y el control sobre las cargas hemodinámicas es crucial para la TE cardiovascular, y que es importante considerar la respuesta inflamatoria para lograrlo. Se han descrito previamente numerosos biorreactores para el cultivo in vitro^{52,53,54,55,56,57,58} o ex vivo^59,60,61 de tejidos cardiovasculares. Sin embargo, todos estos sistemas están diseñados para imitar las condiciones fisiológicas de carga hemodinámica tanto como sea posible. Si bien esto es muy valioso para el propósito de crear tejidos cardiovasculares in vitro o mantener cultivos ex vivo, tales sistemas no permiten estudios sistemáticos sobre los efectos individuales de las señales individuales. Esto se debe a que la aplicación tanto del estiramiento cíclico como del esfuerzo de cizallamiento en estos biorreactores es impulsada por el mismo flujo presurizado, que los une intrínsecamente. Si bien se han descrito microsistemas que permiten una manipulación mecánica multi-cue precisa para sustratos 2D⁶² o configuraciones de hidrogel^{3D 63,64}, tales configuraciones no permiten la incorporación de andamios elastoméricos de biomateriales 3D.

Aquí, presentamos la aplicación de un sistema de biorreactor tubular que permite de manera única el desacoplamiento del esfuerzo por cizallamiento y el estiramiento cíclico y ayuda a investigar mecánicamente sus efectos individuales y combinados. Este sistema permite probar una amplia variedad de injertos vasculares de ingeniería tisular (por ejemplo, de origen sintético o natural, diferentes microarquicturas, varias porosidades). Para desacoplar eficazmente la aplicación de la tensión de cizallamiento y el estiramiento, los conceptos clave que utiliza el biorreactor son (1) la separación del control de la tensión de cizallamiento y el estiramiento utilizando distintos sistemas de bomba y (2) la estimulación de los andamios de una manera “de adentro hacia afuera” con dimensiones impulsadas computacionalmente. El flujo se aplica en la superficie exterior del andamio tubular mediante el uso de una bomba de flujo, mientras que el estiramiento circunferencial del andamio se induce mediante la expansión de un tubo de silicona en el que se monta el andamio mediante el uso de una bomba de deformación separada. Las dimensiones del tubo de silicona y el tubo de vidrio que contiene la construcción se eligen y validan cuidadosamente utilizando simulaciones computacionales de dinámica de fluidos, para garantizar que la tensión de cizallamiento en el andamio (debido al flujo) y el estiramiento circunferencial (debido a la expansión del tubo) no se afecten significativamente entre sí. Este diseño de adentro hacia afuera tiene varias razones prácticas. Si el estiramiento se aplica por la presión del fluido luminal (similar a la carga fisiológica), inherentemente requiere que el diseño de la muestra esté libre de fugas. Además, la presión requerida para estirar la muestra estaría completamente determinada por la rigidez de la muestra, que puede variar entre muestras y dentro de una muestra a lo largo del tiempo, lo que dificulta el control del estiramiento. Este biorreactor monta el injerto de ingeniería tisular alrededor de un tubo de silicona y permite la aplicación de tensión de cizallamiento de pared (WSS) en la pared externa del injerto y presuriza el injerto desde el interior. De esta manera, se pueden garantizar condiciones de carga iguales entre muestras y dentro de las muestras a lo largo del tiempo, y además, se permite que las muestras estén permeables, como es común para los andamios vasculares porosos¹⁹. Este biorreactor de adentro hacia afuera está específicamente diseñado para estudios sistemáticos sobre los efectos del cizallamiento y / o estiramiento, en lugar de la ingeniería de un vaso sanguíneo nativo in vitro, para el cual las configuraciones tradicionales de biorreactores vasculares son más adecuadas. Consulte la Figura 1A-B para los dibujos de diseño del biorreactor, y su correspondiente Tabla 1 para una descripción funcional y una justificación detrás de los principales componentes del biorreactor.

El uso del biorreactor está demostrado sobre la base de una serie de estudios recientes de nuestro grupo en los que investigamos las influencias individuales y combinadas del esfuerzo cizallador y el estiramiento cíclico sobre la inflamación y la formación de tejido en andamios electrospúdicos reabsorbibles para tejido cardiovascular in situ^19,43,44. Con ese fin, utilizamos macrófagos humanos y miofibroblastos, ya sea en monocultivo o en cocultivo para simular las diversas fases de la cascada regenerativa in situ. Hemos demostrado que la secreción de citoquinas por parte de los macrófagos humanos se ve claramente afectada tanto por el estiramiento cíclico como por el esfuerzo de cizallamiento, afectando la deposición de la matriz y la organización por miofibroblastos humanos en estos andamios, tanto a través de la señalización paracrina como del contacto directo^19,43,44. En particular, estos estudios revelaron que en el caso de la aplicación combinada de esfuerzo por cizallamiento y estiramiento, los efectos sobre la formación de tejidos y la inflamación están dominados por una de las dos cargas, o hay efectos sinérgicos de ambas cargas. Estos hallazgos ilustran la relevancia de desacoplamiento de ambas cargas para obtener una mejor comprensión de la contribución del entorno mecánico en los procesos de TE. Esta comprensión se puede aplicar para optimizar sistemáticamente los parámetros de diseño de andamios en regímenes de carga hemodinámicos relevantes. Además, los datos mecanicistas de tales entornos bien controlados pueden servir como entrada para los modelos numéricos que se están desarrollando para predecir el curso de la remodelación de tejidos in situ, como se informó recientemente para teVGs⁶⁵ o TEHVs^66,para mejorar aún más la capacidad predictiva.