JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Türkçe

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Engineering

Akış ve Esneme Altında Biyomalzemelerin Enflamatuar ve Rejeneratif Kapasitesini Değerlendirmek için Çok İşaretli Bir Biyoreaktör

Published: December 10, 2020
doi:
10.3791/61824
, , , , , , ,
1Department of Biomedical Engineering,Eindhoven University of Technology, 2Institute for Complex Molecular Systems (ICMS),Eindhoven University of Technology

Summary

Bu protokolün amacı, kesme stresi ve döngüsel esnemenin birleşmesini sağlayan bir biyoreaktör kullanarak, malzeme güdümlü doku yenilenmesini araştırmak için tübüler elektrospun iskelelerinde insan makrofajları ve miyofibroblastların dinamik bir ortak kültürünü yürütmektir.

Abstract

Resorbe edilebilir biyomalzemelerin doğrudan vücutta yenilenmeyi teşvik etmek için kullanılması, çevirisel açıdan çekici bir stratejidir. Bu tür malzemeler implantasyon üzerine enflamatuar bir yanıta neden olur, bu da malzemenin daha sonra emilmesinin ve yeni dokunun yenilenmesinin sürücüsüdür. Yerinde doku mühendisliği olarak da bilinen bu strateji, doku mühendisliği vasküler greftler gibi kardiyovasküler yedekler elde etmek için izlenmiştir. Hem enflamatuar hem de rejeneratif süreçler, iskeledeki lokal biyomekanik ipuçları (yani, esneme ve kesme stresi) ile belirlenir. Burada, borulu bir iskelede streç ve kesme stresinin ayrıştırılmasını benzersiz bir şekilde sağlayan özel olarak geliştirilmiş bir biyoreaktörün kullanımını ayrıntılı olarak açıklıyoruz. Bu, insan makrofajları ve miyofibroblastları kullanarak dinamik bir ortak kültür deneyine dayanarak gösterdiğimiz iyi kontrol edilmiş mekanik yüklerin etkisi altında tübüler iskelelerin enflamatuar ve rejeneratif kapasitesinin sistematik ve standart olarak değerlendirilmesine izin verir. Bu yaklaşımdaki temel pratik adımlar (biyoreaktörün inşası ve kurulması, iskelelerin ve hücre tohumlamanın hazırlanması, streç ve kesme akışının uygulanması ve bakımı ve analiz için numune hasadı) ayrıntılı olarak ele alınmıştır.

Introduction

Kardiyovasküler doku mühendisliği (TE),1,2,3,4hastalarının büyük kohortları için yetersiz olan şu anda kullanılan kalıcı kardiyovasküler protezlere (örneğin, vasküler greftler, kalp kapak değiştirmeleri) alternatif bir tedavi seçeneği olarak takip edilmektedir. Çok aranan uygulamalar arasında doku mühendisliği yapılmış vasküler greftler (TEVG’ler) 5,6 ve kalp kapakçıkları (TEHV’ ler)7,8bulunur. Çoğu zaman, kardiyovasküler TE metodolojileri, oluşacak yeni doku için öğretici bir iskele görevi gören yeniden sıralanabilir biyomalzemelerden (doğal veya sentetik) yararlanır. Yeni doku oluşumu tamamen in vitro olarak mühendislik yapılabilir, implantasyondan önce bir biyoreaktörde (in vitro TE) 9,10,11veya doğrudan in situ, sentetik iskelenin doğrudan vücutta yeni doku oluşumunu teşvik etmek için ön kültleme yapılmadan implante edildiği hücreli ve kültlü iskeleyi tohumlayarak (yerinde TE)12,13,14. Hem in vitro hem de in situ kardiyovasküler TE yaklaşımları için, başarılı fonksiyonel rejenerasyon baskın olarak hem implante yapıya konak immün yanıtına hem de uygun biyomekanik yüklemeye bağlıdır.

Kardiyovasküler TE için biyomekanik yüklemenin önemi iyi kabul edilir15. Kardiyovasküler implantlarda, iskeleyi dolduran hücreler hemodinamik ortamın bir sonucu olarak ortaya çıkan döngüsel esneme ve kesme streslerine maruz kalır. Çok sayıda çalışma, (döngüsel) esnemenin kollajen16 , 17 , 18,19,glikozaminoglisekanlar (GAG) 20 ve elastin21,22gibi matris bileşenlerinin oluşumu üzerindeki uyarıcı etkisini çeşitli hücre tiplerine göre bildirmektedir. Örneğin, Huang ve ark. biaksiyel streç bir vasküler biyoreaktör kullanarak in vitro TEVGs kollajen ve elastin birikimini ve organizasyonununu yükselttini göstermiştir23. Vurgu tipik olarak baskın yük olarak esnemeye dayansa da, bu çalışmalar genellikle numunenin kesme akışına da maruz kaldığı akış tahrikli biyoreaktörlerden yararlanır. Kesme gerilmelerinin 3D doku oluşumu ve iltihaplanma üzerindeki izole etkisi hakkında nispeten az şey bilinmesine rağmen, bazı veriler mevcuttur. Örneğin, Hinderer ve ark. ve Eoh ve arkadaşları, 3D iskele mikro yapısına ek olarak, in vitro model sistemde insan damar düz kas hücreleri tarafından olgun elastin oluşumu için önemli olduğunu göstermiştir24,25. Bu bulgular, kardiyovasküler TE için hem döngüsel esneme hem de kesme stresinin alaka düzeyini göstermektedir.

TE implantlarının başarısı veya başarısızlığı için bir diğer önemli belirleyici, konağın implante grefte immün yanıtıdır26. Bu, hücresel akın ve endojen doku oluşumu ve yeniden şekillendirme27sonraki süreçlerini başlatmak için iskeleye akut enflamatuar yanıta dayanan malzeme odaklı in situ TE stratejileri için özellikle önemlidir. Makrofaj,28,29,30gibi birden fazla çalışma ile gösterilen fonksiyonel doku yenilenmesinin kritik bir başlatıcısıdır. Yara iyileşmesine benzer şekilde, dokunun yenilenmesi makrofajlar ve fibroblastlar ve miyofibroblastlar31, 32,33 gibi doku üreten hücreler arasında parakrin sinyal ile yönetilir. Yeni doku birikimini koordine ederek, makrofajlar yabancı iskele malzemesi34,35’inaktif resorpsiyonunda yer almaktadır. Bu nedenle, bir biyomalzeme in vitro makrofaj yanıtı, implantların in vivo başarısı için tahmine dayalı bir parametre olarak tanımlanmıştır36,37,38.

İmplante edilmiş bir iskeleye makrofaj yanıtı, malzeme bileşimi ve mikroyapı35, 39,40gibi iskele tasarım özelliklerine bağlıdır. İskele özelliklerine ek olarak, bir iskeleye makrofaj tepkisi ve myofibroblasts ile çapraz konuşmaları da hemodinamik yüklerden etkilenmiştir. Örneğin, döngüsel streç makrofaj fenotip41 , 42,43,44ve sitokinlerinsalgılanması önemli bir modülatör olarak gösterilmiştir43,44,45,46 3D elektrospun iskelelerde. Makrofajlar ve vasküler düz kas hücrelerinden oluşan bir ortak kültür sistemi kullanan Battiston ve arkadaşları, makrofajların varlığının elastin ve GAG seviyelerinin artmasına yol açtığını ve orta derecede döngüsel esneme seviyelerinin (1.07-1.10) kollajen I ve elastin47’ninbirikmesini uyardığını göstermiştir. Önceki çalışmalarda, kesme stresinin 3D elektrospun iskeleleri48,49‘a monosit alımı için önemli bir belirleyici olduğunu ve hem kesme stresinin hem de döngüsel esnemenin insan monositleri ve mezenkimal stromal hücreler arasındaki parakrin sinyali etkilediğini gösterdik50. Fahy ve arkadaşları, kesme akışının insan monositleri tarafından pro-enflamatuar sitokinlerin salgısını artırdığını göstermiştir51.

Birlikte ele alındığında, yukarıdaki kanıtlar hemodinamik yükler üzerinde yeterli bir anlayış ve kontrolün kardiyovasküler TE için çok önemli olduğunu ve bunu başarmak için enflamatuar yanıtın göz önünde bulundurulmasının önemli olduğunu göstermektedir. Daha önce in vitro52 , 53 , 54 ,55,56,57,58veya ex vivo59,60 ,61kardiyovasküler doku kültürü için çok sayıda biyoreaktör tanımlanmıştır. Bununla birlikte, tüm bu sistemler fizyolojik hemodinamik yükleme koşullarını mümkün olduğunca taklit etmek için tasarlanmıştır. Bu, kardiyovasküler dokuların in vitro olarak oluşturulması veya ex vivo kültürlerinin korunması amacıyla son derece değerli olsa da, bu tür sistemler bireysel ipuçlarının bireysel etkilerine sistematik çalışmalara izin vermez. Bunun nedeni, bu biyoreaktörlerde hem döngüsel esneme hem de kesme stresinin uygulanmasının, özünde onları bağlayan aynı basınçlı akış tarafından yönlendirilmesidir. Doğru çok işaretli mekanik manipülasyona izin veren mikrosistemler 2D substratlar62 veya 3D hidrojel kurulumları63,64için açıklanmış olsada,bu tür kurulumlar elastomerik 3D biyomalzeme iskelelerinin birleştirilmesine izin vermez.

Burada, kesme stresi ve döngüsel esnemenin ayrışmasını benzersiz bir şekilde sağlayan ve bireysel ve kombine etkilerini mekanistik olarak araştırmaya yardımcı olan bir tübüler biyoreaktör sisteminin uygulanmasını sunuyoruz. Bu sistem, çok çeşitli doku mühendisliği vasküler greftlerin (örneğin sentetik veya doğal kökenli, farklı mikro mimari, çeşitli gözeneklilikler) testine izin verir. Kesme gerilme ve germe uygulamasını etkili bir şekilde ayrıştırmak için, biyoreaktörün kullandığı temel kavramlar (1) ayrı pompa sistemleri kullanılarak kesme stresi ve esneme kontrolünün ayrılması ve (2) iskelelerin hesaplama odaklı boyutlara sahip ‘içten dışa’ bir şekilde uyarılmasıdır. Akış, borulu iskelenin dış yüzeyine bir akış pompası kullanılarak uygulanırken, iskelenin çevresel gerilmesi, iskelenin ayrı bir gerinim pompası kullanılarak monte edildiği silikon bir tüp genişletilerek indüklenmiştir. Silikon tüpün boyutları ve yapıyı içeren cam tüp, iskeledeki kesme stresinin (akış nedeniyle) ve çevresel germenin (tüp genişlemesi nedeniyle) birbirini önemli ölçüde etkilememesini sağlamak için hesaplamalı akışkan dinamiği simülasyonları kullanılarak özenle seçilir ve doğrulanır. Bu içten dışa tasarımın birkaç pratik mantığı vardır. Streç, ışık sıvısı basıncı (fizyolojik yüklemeye benzer) tarafından uygulanırsa, doğal olarak numune tasarımının sızdırmaz olmasını gerektirir. Ek olarak, numuneyi germek için gereken basınç, numuneler arasında ve zaman içinde bir numune içinde değişebilen numune sertliği tarafından tamamen belirlenir ve bu da esnemeyi kontrol etmeyi zorlaştırır. Bu biyoreaktör, doku mühendisliği yapılan grefti silikon bir tüpün etrafına monte eder ve greftin dış duvarında duvar kesme stresi (WSS) uygulamasına izin verir ve grefti içeriden basınçlandırır. Bu şekilde, numuneler arasında ve zaman içinde numuneler içinde eşit yükleme koşulları sağlanabilir ve dahası, gözenekli vasküler iskelelerde yaygın olduğu gibi numunelerin sızdırılmasına izin verilir19. Bu içten dışa biyoreaktör, geleneksel vasküler biyoreaktör kurulumlarının daha uygun olduğu doğal benzeri bir kan damarı in vitro mühendisliği yerine, kesme ve/ veya esnemenin etkileri üzerine sistematik çalışmalar için özel olarak tasarlanmıştır. Biyoreaktör tasarım çizimleri için Şekil 1A–B’ye ve biyoreaktörün ana bileşenlerinin arkasında işlevsel bir açıklama ve rasyonellik için ilgili Tablo 1’e bakın.

Biyoreaktör kullanımı, grubumuz tarafından, yerinde kardiyovasküler doku için resorbable elektrospun iskelelerinde kesme stresi ve döngüsel streçlerin iltihaplanma ve doku oluşumu üzerindeki bireysel ve kombine etkilerini araştırdığımız bir dizi yeni çalışmaya dayanarak gösterilmiştir19,43,44. Bu amaçla, in situ rejeneratif çağlayanın çeşitli aşamalarını simüle etmek için mono veya ortak kültürde insan makrofajları ve miyofibroblastları kullandık. İnsan makrofajları tarafından sitokin salgılamanın hem döngüsel streç hem de kesme stresinden belirgin bir şekilde etkilendiğini, bu iskelelerdeki insan miofibroblastları tarafından matris birikimini ve organizasyonunu etkilediğini, hem parakrin sinyalizasyon hem de doğrudan temas yoluyla19,43,44. Özellikle, bu çalışmalar, kesme stresi ve esnemenin kombine uygulanması durumunda, doku oluşumu ve iltihabı üzerindeki etkilerin ya iki yüklerden birinin hakim olduğunu ya da her iki yükün sinerjik etkilerinin olduğunu ortaya koydu. Bu bulgular, mekanik ortamın TE proseslerine olan katkısını daha iyi anlamak için her iki yükün ayrıştırmasının alaka düzeyini göstermektedir. Bu anlayış, ilgili hemodinamik yükleme rejimlerinde iskele tasarım parametrelerini sistematik olarak optimize etmek için uygulanabilir. Buna ek olarak, bu tür iyi kontrol edilen ortamlardan elde edilen mekanistik veriler, yakın zamanda TEVG 65 veya TEHV66 için bildirildiği gibi, yerinde doku tadilatının seyrini tahmin etmek için geliştirilen sayısal modeller için girdi görevi görebilirsiniz.

Protocol

Bu protokolde açıklanan çalışmalarda periferik kan buffy coats’dan izole edilmiş primer insan makrofajları ve koroner by-pass ameliyatından sonra saphenous damardan izole edilmiş insan miyofibroblastlarıkullanılmıştır 44. Buffy paltolar, Sanquin Araştırma Kurumsal Tıbbi Etik Komitesi tarafından onaylanan yazılı bilgilendirilmiş onay sağlayan sağlıklı, anonimleştirilmiş gönüllülerden elde edildi. İnsan vena saphena hücrelerinin (HCSC) kullanımı, Hollanda’daki Tıp …

Representative Results

Bu biyoreaktör, 3D biyomalzeme iskelelerinde kesme stresi ve döngüsel esnemenin vasküler doku büyümesi ve yeniden şekillendirilmesi üzerindeki bireysel ve kombine etkilerini incelemek için geliştirilmiştir. Biyoreaktörün tasarımı, çeşitli yükleme koşullarında sekiz vasküler yapının kült örüldürülmesine izin verir (Şekil 1A). Vasküler yapılar, hem çevresel streç hem de WSS’nin bağımsız olarak kontrol edilebildiği bir akış kültürü odasına<strong class…

Discussion

Burada açıklanan biyoreaktör, borulu rezonanslı iskelelerde kesme stresi ve döngüsel esnemenin iltihaplanma ve doku yenilenmesi üzerindeki bireysel ve kombine etkilerinin sistematik olarak değerlendirilmesini sağlar. Bu yaklaşım aynı zamanda temsili sonuçlar bölümünde de örneklendirildiği gibi damar yapıları üzerinde çok çeşitli analizler yapılmasına olanak sağlamaktadır. Bu sonuçlar, farklı hemodinamik yükleme rejimlerinin (yani, farklı kesme ve esneme kombinasyonlarının) TEVG yapısın…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Bu çalışma, LSH 2Treat programının (436001003) ve Hollanda Böbrek Vakfı’nın (14a2d507) bir parçası olarak ZonMw tarafından finansal olarak desteklenmektedir. N.A.K. Avrupa Araştırma Konseyi’nin (851960) desteğini kabul eder. Hollanda Bilimsel Araştırma Örgütü (024.003.013) tarafından finanse edilen YerÇekim Programı “Materyal Odaklı Rejenerasyon”u minnetle kabul ediyoruz.

Materials

advanced Dulbecco’s modified EagleMedium (aDMEM) Gibco 12491-015 cell culture medium for fibroblasts
Aqua Stabil Julabo 8940012 prevent microorganism growth in bioreactor-hydraulic reservoir
Bovine fibrinogen Sigma F8630 to prepare fibrinogen gel to seed the cells on the electrospun scaffold
Bovine thrombin Sigma T4648 to prepare fibrinogen gel to seed the cells on the electrospun scaffold
Centrifuge Eppendorf 5804 to spin down cells and conditioned medium
Clamp scissor – "kelly forceps" Almedic P-422 clamp the silicone tubing and apply pre-stretch to the scaffold so the scaffold can be sutured into the engraved groove (autoclave at step 1, step 7)
CO2 cell culture incubators Sanyo MCO-170AIC-PE for cell culturing
Compressed air reservoir Festo CRVZS-5 smoothing air pressure fluctuations and create time delays for pressure build-up
Custom Matlab script to calculate the maximum stretches Matlab R2017. The Mathworks, Natick, MA calculate the minimum and maximum outer diameter of the electrospun scaffold
Data acquisition board National Instruments BNC-2090 data processing in between amplifier system and computer
Ethanol VWR VWRK4096-9005 to keep sterile working conditions
Fetal bovine calf serum (FBS) Greiner 758087 cell culture medium supplement; serum-supplement
Flow culture chamber compartments, consisting of a pressure conduit with engraved grooves and small holes to apply pressure on silicone tubing, a screw thread, nose cone, top compartment with flow inlet and bottom compartment flow outlet, adapter bushing Custom made, Department of Biomedical Engineering, Eindhoven University of Technology n.a. flow culture chamber compartments (autoclave at step 1, step 7)
Glass Pasteur pipet Assistant HE40567002 apply vacuum on electrospun scaffold (autoclave at step 1)
Glass tubes of the flow culture chamber Custon made, Equipment & Prototype Center, Eindhoven University of Technology n.a. part of the flow culture chamber (clean and store in 70% ethanol, at step 1 and 7)
GlutaMax Gibco 35050061 cell culture medium amino acid supplement, minimizes ammonia build-up
High speed camera MotionScope M-5 to monitor the stretch during culture; time-lapse photographs of the scaffolds are captured at a frequency of 30 Hz for 6 sec (i.e. 3 stretch cycles)
High speed camera lens – Micro-NIKKOR 55mm f/2.8 – lens Nikon JAA616AB to monitor the stretch during culture; time-lapse photographs of the scaffolds are captured at a frequency of 30 Hz for 6 sec (i.e. 3 stretch cycles)
Hose clip ibidi GmbH 10821 block medium flow (autoclave at step 1, step 7)
Hydraulic reservoir with 8 screw threads for 8 flow culture chambers Custom made, Department of Biomedical Engineering, Eindhoven University of Technology n.a. to apply pressure to the silicone mounted constructs (clean outside with a paper tissue with 70% ethanol, rinse reservoir with 70% ethanol followed by demi water, at step 1 and 7)
Ibidi pump system (8x) including ibidi pump, PumpControl software, fluidic unit, perfusion set (medium tubing), air pressure tubing, drying bottles with orange silica beads ibidi GmbH 10902 set up used to control the flow in the flow culture chambers. Note 1: the ibidi pumps were modified by the manufacturer to enable 200 mbar capacity. Note 2: can be replaced by pump system of other manufacturer, as long as same flow regimes can be applied.
Knives (no.10 sterile blades, individual foil pack) and scalpel handle (stainless steel, individually wrapped) Swann Morton 0301; 0933 to cut the silicone tubing in the correct size for the scaffold and to cut the suture material
LabVIEW Software National Instruments version 2018 to control the stretch applied to the scaffolds
Laminar flow biosafety cabinet with UV light Labconco 302310001 to ensure sterile working conditions. The UV is used to decontaminate everything that cannot be autoclaved, or touched after autoclaving
Large and small petri dishes Greiner 664-160 for sterile working conditions
L-ascorbic acid 2-phosphate (vitamin C) Sigma A8960 cell culture medium supplement, important for collagen production
LED light cold source KL2500 Zeiss Schott AG to aid in visualization for the time lapse of the scaffolds during monitoring of the stretch
Luer (female and male) locks and connectors, white luer caps ibidi GmbH various, see (https://ibidi.com/26-flow-accessories) to close or connect parts of the bioreactor and the ibidi pump (autoclave at step 1, step 7)
Measuring amplifier (PICAS) PEEKEL instruments B.V. n.a. to amplify the signal from the pressure sensor and feedback to LabView
Medium reservoir (large syringes 60 mL) and reservoir holders ibidi GmbH 10974 medium reservoir (autoclave at step 1, step 7)
Medium tubing with 4.25 mm outer diameter and 1 mm inner diameter Rubber BV 1805 to allow for a larger flow rate, the ibidi medium tubing with larger diameter is used. Note: the part of medium tubing guided through the fluidic unit valves are the same as the default ibidi medium tubing
Motion Studio Software Idtvision 2.15.00 to make the high speed time lapse images for stretch monitoring
Needle (19G) BD Microlance 301700 together with thin flexible tubing used to fill the hydraulic reservoir with ultrapure water without adding air bubbles
Needle driver Adson 2429218 to handle the needle of the nylon suture through the silicone tube (autoclave at step 1, step 7)
Paper tissues Kleenex 38044001 for cleaning of the equipment with 70% ethanol
Parafilm Sigma P7793-1EA quick fix if leakage occurs
Penicillin/streptomycin (P/S) Lonza DE17-602E cell culture medium supplement; prevent bacterial contamination
Phosphate Buffered Saline (PBS) Sigma P4417-100TAB for storage and washing steps (autoclave at step 1)
Plastic containers (60 mL) with red screw caps Greiner 206202 to prepare the fibrinogen solution
Pneumatic cylinder Festo AEVC-20-10-I-P to actuate the Teflon bellow (clean with a paper tissue with 70% ethanol at step 1 and 7)
Polycaprolactone bisurea (PCL-BU) tubular scaffolds (3 mm inner diameter, 200 µm wall thickness, 20 mm length) SyMO-Chem, Eindhoven, The Netherlands n.a. produced using electrospinning from 15% (w/w) chloroform (Sigma; 372978) polymer solutions. See Van Haaften et al Tissue Engineering Part C (2018) for more details
Pressure conduit without holes (for static control) Custom made, Department of Biomedical Engineering, Eindhoven University of Technology n.a. to mount electrospun tubes on silicon tubing (autoclave at step 1, step 7)
Pressure sensor and transducer BD TC-XX and P 10 EZ the air pressure going to the pneumatic actuated pump is raised until it reaches the set pressure
Proportional air pressure control valve and pressure sensor Festo MPPES-3-1/8-2-010, 159596 provides compressed air to the pneumatic actuated pump
Roswell Park Memorial Institute 1640 (RPMI-1640) Gibco A1049101 cell culture medium for monocyte/macrophage
Safe lock Eppendorf tubes (1.5 mL) Eppendorf 30120086 multiple applications (autoclave at step 1)
Sodium dodecyl sulfate solution 20% Sigma 5030 Used to clean materials, at a concentration of 0.1%.  
Silicone O-rings Technirub 1250S to prevent leakage (autoclave at step 1, step 7)
Silicone tubing (2.8 mm outer diameter, 400 um wall thickness) Rubber BV 1805 to mount the electrospun tubes on the pressure conduits (autoclave at step 1)
Sterile tube (15 mL) Falcon 352095 multiple applications
Suture, 5-0 prolene with pre-attached taper point needle Ethicon, Johnson&Johnson EH7404H Prolene suture wire 5-0 (75cm length, TF taper point needle, 1/2 circle, 13 mm needle length)
Syringe (24 mL) B. Braun Melsungen AG 2057932 to add the ultrapure water or medium to the hydraulic reservoir or flow culture chamber
Syringe filter (0.2 µm) Satorius 17597-K to filter the fibrinogen solution
T150 cell culture flask with filter cap Nunc 178983 to degas culture medium
T75 Cell culture flask with filter cap Nunc 156499 to culture static control samples
Teflon bellow Custom made, Department of Biomedical Engineering, Eindhoven University of Technology n.a. to load the hydraulic reservoir (clean outside with a paper tissue with 70% ethanol at step 1 and 7)
Tray (stainless steel) PolarWare 15-248 for easy transport of the fluidic culture chambers and the bioreactor from incubator to laminar flow cabinet and back (clean with a paper tissue with 70% ethanol before and after use)
Tweezers Wironit 4910 sterile handling of individual parts (autoclave at step 1 and 7)
Ultrapure water Stakpure Omniapure UV 18200002 to correct for medium evaporation, mixed with aqua stabil mixed and used as hydraulic fluid. (autoclave ultrapure water at step 1)
UV light Philips TUV 30W/G30 T8 for decontamination of grafts and bioreactor parts before seeding
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Chlupác, J., Filová, E., Bacáková, L. Blood vessel replacement: 50 years of development and tissue engineering paradigms in vascular surgery. Physiological Research. 58, 119-139 (2009).
  2. Huygens, S. A., et al. Bioprosthetic aortic valve replacement in elderly patients: Meta-analysis and microsimulation. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 157 (6), 2189-2197 (2019).
  3. Huygens, S. A., et al. Contemporary outcomes after surgical aortic valve replacement with bioprostheses and allografts: a systematic review and meta-analysis. European Journal of Cardio-Thoracic Surgery. 50 (4), 605-616 (2016).
  4. Loh, S. A., et al. Mid- and long-term results of the treatment of infrainguinal arterial occlusive disease with precuffed expanded polytetrafluoroethylene grafts compared with vein grafts. Annals of Vascular Surgery. 27 (2), 208-217 (2013).
  5. Tara, S., et al. Vessel bioengineering. Circulation Journal. 78 (1), 12-19 (2014).
  6. Huang, A. H., Niklason, L. E. Engineering of arteries in vitro. Cellular and Molecular Life Sciences. 71 (11), 2103-2118 (2014).
  7. Bouten, C. V. C., Smits, A. I. P. M., Baaijens, F. P. T. Can we grow valves inside the heart? Perspective on material-based in situ heart valve tissue engineering. Frontiers in Cardiovascular Medicine. 5, 54 (2018).
  8. Fioretta, E. S., et al. Next-generation tissue-engineered heart valves with repair, remodelling and regeneration capacity. Nature Reviews Cardiology. , (2020).
  9. Kirkton, R. D., et al. Bioengineered human acellular vessels recellularize and evolve into living blood vessels after human implantation. Science Translational Medicine. 11 (485), (2019).
  10. Gutowski, P., et al. Arterial reconstruction with human bioengineered acellular blood vessels in patients with peripheral arterial disease. Journal of Vascular Surgery. , (2020).
  11. Syedain, Z., et al. Tissue engineering of acellular vascular grafts capable of somatic growth in young lambs. Nature Communications. 7 (12951), 12951 (2016).
  12. Sugiura, T., et al. Tissue-engineered vascular grafts in children with congenital heart disease: intermediate term follow-up. Seminars in Thoracic and Cardiovascular Surgery. 30 (2), 175-179 (2018).
  13. Kluin, J., et al. In situ heart valve tissue engineering using a bioresorbable elastomeric implant – material design to 12 months follow-up in sheep. Biomaterials. 125, 101-117 (2017).
  14. Fioretta, E. S., et al. Differential leaflet remodeling of bone marrow cell pre-seeded versus nonseeded bioresorbable transcatheter pulmonary valve replacements. JACC. Basic to Translational Science. 5 (1), 15-31 (2020).
  15. Van Haaften, E. E., Bouten, C. V. C., Kurniawan, N. A. Vascular mechanobiology: towards control of. Cells. , 1-24 (2017).
  16. De Jonge, N., et al. Matrix production and organization by endothelial colony forming cells in mechanically strained engineered tissue constructs. PLoS ONE. 8 (9), 73161 (2013).
  17. Schmidt, J. B., Chen, K., Tranquillo, R. T. Effects of intermittent and incremental cyclic stretch on ERK signaling and collagen production in engineered tissue. Cellular and Molecular Bioengineering. 9 (1), 55-64 (2016).
  18. Luo, J., et al. Tissue-engineered vascular grafts with advanced mechanical strength from human iPSCs. Cell Stem Cell. 26 (2), 251-261 (2020).
  19. Van Haaften, E. E., et al. Decoupling the effect of shear stress and stretch on tissue growth and remodeling in a vascular graft. Tissue Engineering Part C: Methods. 24 (7), 418-429 (2018).
  20. Gupta, V., Tseng, H., Lawrence, B. D., Jane Grande-Allen, K. Effect of cyclic mechanical strain on glycosaminoglycan and proteoglycan synthesis by heart valve cells. Acta Biomaterialia. 5 (2), 531-540 (2009).
  21. Lin, S., Mequanint, K. Bioreactor-induced mesenchymal progenitor cell differentiation and elastic fiber assembly in engineered vascular tissues. Acta Biomaterialia. 59, 200-209 (2017).
  22. Venkataraman, L., Bashur, C. A., Ramamurthi, A. Impact of cyclic stretch on induced elastogenesis within collagenous conduits. Tissue Engineering. Part A. 20 (9-10), 1403-1415 (2014).
  23. Huang, A. H., et al. Biaxial stretch improves elastic fiber maturation, collagen arrangement, and mechanical properties in engineered arteries. Tissue Engineering Part C Methods. 22 (6), 524-533 (2016).
  24. Hinderer, S., et al. In vitro elastogenesis: instructing human vascular smooth muscle cells to generate an elastic fiber-containing extracellular matrix scaffold. Biomedical Materials. 10 (3), 034102 (2015).
  25. Eoh, J. H., et al. Enhanced elastin synthesis and maturation in human vascular smooth muscle tissue derived from induced-pluripotent stem cells. Acta Biomaterialia. 52, 49-59 (2017).
  26. Smits, A. I. P. M., Bouten, C. V. C. Tissue engineering meets immunoengineering: Prospective on personalized in situ tissue engineering strategies. Current Opinion in Biomedical Engineering. 6, 17-26 (2018).
  27. Wissing, T. B., Bonito, V., Bouten, C. V. C., Smits, A. I. P. M. Biomaterial-driven in situ cardiovascular tissue engineering-a multi-disciplinary perspective. npj Regenerative Medicine. 2 (1), 18 (2017).
  28. Hibino, N., et al. A critical role for macrophages in neovessel formation and the development of stenosis in tissue-engineered vascular grafts. The FASEB Journal. 25 (12), 4253-4263 (2011).
  29. Godwin, J. W., Pinto, A. R., Rosenthal, N. A. Macrophages are required for adult salamander limb regeneration. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110 (23), 9415-9420 (2013).
  30. Godwin, J. W., Debuque, R., Salimova, E., Rosenthal, N. A. Heart regeneration in the salamander relies on macrophage-mediated control of fibroblast activation and the extracellular landscape. npj Regenerative Medicine. 2 (1), 22 (2017).
  31. McBane, J. E., Cai, K., Labow, R. S., Santerre, J. P. Co-culturing monocytes with smooth muscle cells improves cell distribution within a degradable polyurethane scaffold and reduces inflammatory cytokines. Acta Biomaterialia. 8 (2), 488-501 (2012).
  32. Battiston, K. G., Ouyang, B., Labow, R. S., Simmons, C. A., Santerre, J. P. Monocyte/macrophage cytokine activity regulates vascular smooth muscle cell function within a degradable polyurethane scaffold. Acta Biomaterialia. 10 (3), 1146-1155 (2014).
  33. Ploeger, D. T., et al. Cell plasticity in wound healing: paracrine factors of M1/ M2 polarized macrophages influence the phenotypical state of dermal fibroblasts. Cell Communication and Signaling. 11 (1), 29 (2013).
  34. McBane, J. E., Santerre, J. P., Labow, R. S. The interaction between hydrolytic and oxidative pathways in macrophage-mediated polyurethane degradation. Journal of Biomedical Materials Research. Part A. 82 (4), 984-994 (2007).
  35. Wissing, T. B., et al. Macrophage-driven biomaterial degradation depends on scaffold microarchitecture. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 7, 87 (2019).
  36. Wolf, M. T., Vodovotz, Y., Tottey, S., Brown, B. N., Badylak, S. F. Predicting in vivo responses to biomaterials via combined in vitro and in silico analysis. Tissue Engineering Part C: Methods. 21 (2), 148-159 (2015).
  37. Grotenhuis, N., Bayon, Y., Lange, J. F., Van Osch, G. J. V. M., Bastiaansen-Jenniskens, Y. M. A culture model to analyze the acute biomaterial-dependent reaction of human primary macrophages. Biochemical and Biophysical Research Communications. 433 (1), 115-120 (2013).
  38. Jannasch, M., et al. A comparative multi-parametric in vitro model identifies the power of test conditions to predict the fibrotic tendency of a biomaterial. Scientific Reports. 7 (1), 1689 (2017).
  39. Wang, Z., et al. The effect of thick fibers and large pores of electrospun poly(ε-caprolactone) vascular grafts on macrophage polarization and arterial regeneration. Biomaterials. 35 (22), 5700-5710 (2014).
  40. McWhorter, F. Y., Davis, C. T., Liu, W. F. Physical and mechanical regulation of macrophage phenotype and function. Cellular and Molecular Life Sciences. 72 (7), 1303-1316 (2014).
  41. Ballotta, V., Driessen-Mol, A., Bouten, C. V. C., Baaijens, F. P. T. Strain-dependent modulation of macrophage polarization within scaffolds. Biomaterials. 35 (18), 4919-4928 (2014).
  42. Dziki, J. L., et al. The effect of mechanical loading upon extracellular matrix bioscaffold-mediated skeletal muscle remodeling. Tissue Engineering. Part A. 24 (1-2), 34-46 (2018).
  43. Wissing, T. B., et al. Hemodynamic loads distinctively impact the secretory profile of biomaterial-activated macrophages – implications for in situ vascular tissue engineering. Biomaterials Science. 8 (1), 132-147 (2020).
  44. Van Haaften, E. E., Wissing, T. B., Kurniawan, N. A., Smits, A. I. P. M., Bouten, C. V. C. Human in vitro model mimicking material-driven vascular regeneration reveals how cyclic stretch and shear stress differentially modulate inflammation and matrix deposition. Advanced Biosystems. 4 (6), 1900249 (2020).
  45. Ballotta, V., Smits, A. I. P. M., Driessen-Mol, A., Bouten, C. V. C., Baaijens, F. P. T. Synergistic protein secretion by mesenchymal stromal cells seeded in 3D scaffolds and circulating leukocytes in physiological flow. Biomaterials. 35 (33), 9100-9113 (2014).
  46. Bonito, V., de Kort, B. J., Bouten, C. V. C., Smits, A. I. P. M. Cyclic strain affects macrophage cytokine secretion and extracellular matrix turnover in electrospun scaffolds. Tissue Engineering Part A. 25 (17-18), 1310-1325 (2019).
  47. Battiston, K. G., Labow, R. S., Simmons, C. A., Santerre, J. P. Immunomodulatory polymeric scaffold enhances extracellular matrix production in cell co-cultures under dynamic mechanical stimulation. Acta Biomaterialia. 24, 74-86 (2015).
  48. Smits, A. I. P. M., Driessen-Mol, A., Bouten, C. V. C., Baaijens, F. P. T. A mesofluidics-based test platform for systematic development of scaffolds for in situ cardiovascular tissue engineering. Tissue Engineering Part C: Methods. 18 (6), 475-485 (2012).
  49. Smits, A. I. P. M., Ballotta, V., Driessen-Mol, A., Bouten, C. V. C., Baaijens, F. P. T. T. Shear flow affects selective monocyte recruitment into MCP-1-loaded scaffolds. Journal of Cellular and Molecular Medicine. 18 (11), 2176-2188 (2014).
  50. Ballotta, V., Smits, A. I. P. M., Driessen-Mol, A., Bouten, C. V. C., Baaijens, F. P. T. Synergistic protein secretion by mesenchymal stromal cells seeded in 3D scaffolds and circulating leukocytes in physiological flow. Biomaterials. 35 (33), 9100-9113 (2014).
  51. Fahy, N., Menzel, U., Alini, M., Stoddart, M. J. Shear and dynamic compression modulates the inflammatory phenotype of human monocytes in vitro. Frontiers in Immunology. 10, 383 (2019).
  52. Pennings, I., et al. Layer-specific cell differentiation in bi-layered vascular grafts under flow perfusion. Biofabrication. 12 (1), 015009 (2019).
  53. Wang, J., et al. Ex vivo blood vessel bioreactor for analysis of the biodegradation of magnesium stent models with and without vessel wall integration. Acta Biomater. 50, 546-555 (2017).
  54. Huang, A. H., et al. Design and use of a novel bioreactor for regeneration of biaxially stretched tissue-engineered vessels. Tissue Engineering. Part C, Methods. 21 (8), 841-851 (2015).
  55. Huang, A. H., Niklason, L. E. Engineering biological-based vascular grafts using a pulsatile bioreactor. Journal of Visualized Experiments. (52), e2646 (2011).
  56. Bono, N., et al. A Dual-mode bioreactor system for tissue engineered vascular models. Annals of Biomedical Engineering. 45 (6), 1496-1510 (2017).
  57. Wolf, F., et al. VascuTrainer: a mobile and disposable bioreactor system for the conditioning of tissue-engineered vascular grafts. Annals of Biomedical Engineering. 46 (4), 616-626 (2018).
  58. Ramaswamy, S., et al. A novel bioreactor for mechanobiological studies of engineered heart valve tissue formation under pulmonary arterial physiological flow conditions. Journal of Biomechanical Engineering. 136 (12), 121009 (2014).
  59. Piola, M., et al. A compact and automated ex vivo vessel culture system for the pulsatile pressure conditioning of human saphenous veins. Journal of Tissue Engineering and Regenerative Medicine. 10 (3), 204-215 (2016).
  60. Vanerio, N., Stijnen, M., de Mol, B. A. J. M., Kock, L. M. An innovative ex vivo vascular bioreactor as comprehensive tool to study the behavior of native blood vessels under physiologically relevant conditions. Journal of Engineering and Science in Medical Diagnostics and Therapy. 2 (4), (2019).
  61. Kural, M. H., Dai, G., Niklason, L. E., Gui, L. An ex vivo vessel injury model to study remodeling. Cell Transplantation. 27 (9), 1375-1389 (2018).
  62. Sinha, R., et al. A medium throughput device to study the effects of combinations of surface strains and fluid-flow shear stresses on cells. Lab on a Chip. 15 (2), 429-439 (2015).
  63. Beca, B. M., Sun, Y., Wong, E., Moraes, C., Simmons, C. A. Dynamic bioreactors with integrated microfabricated devices for mechanobiological screening. Tissue Engineering Part C: Methods. 25 (10), 581-592 (2019).
  64. Liu, H., Usprech, J., Sun, Y., Simmons, C. A. A microfabricated platform with hydrogel arrays for 3D mechanical stimulation of cells. Acta Biomaterialia. 34, 113-124 (2016).
  65. Szafron, J. M., Ramachandra, A. B., Breuer, C. K., Marsden, A. L., Humphrey, J. D. Optimization of tissue-engineered vascular graft design using computational modeling. Tissue Engineering Part C: Methods. 25 (10), 561-570 (2019).
  66. Emmert, M. Y., et al. Computational modeling guides tissue-engineered heart valve design for long-term in vivo performance in a translational sheep model. Science Translational Medicine. 10 (440), (2018).
  67. Mol, A., et al. Fibrin as a cell carrier in cardiovascular tissue engineering applications. Biomaterials. 26 (16), 3113-3121 (2005).
  68. van Kelle, M. A. J., et al. A Bioreactor to identify the driving mechanical stimuli of tissue growth and remodeling. Tissue Engineering Part C: Methods. 23 (6), (2017).
  69. van den Broek, C. N., et al. Medium with blood-analog mechanical properties for cardiovascular tissue culturing. Biorheology. 45 (6), 651-661 (2008).

Tags

BioreactorMulti-cueInflammatoryRegenerativeBiomaterialsFlowStretchHemodynamicsSheer StressCyclic StretchElectrospun ScaffoldSilicone TubingSuturePressure ConduitO-ringAdapter Bushing

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Koch, S. E., van Haaften, E. E., Wissing, T. B., Cuypers, L. A. B., Bulsink, J. A., Bouten, C. V. C., Kurniawan, N. A., Smits, A. I. P. M. A Multi-Cue Bioreactor to Evaluate the Inflammatory and Regenerative Capacity of Biomaterials under Flow and Stretch. J. Vis. Exp. (166), e61824, doi:10.3791/61824 (2020).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image