تتطلب اللوحات الهندسية شبكة وعائية وظيفية مدمجة. في هذا البروتوكول ، نقدم طريقة لتصنيع رفرف الأنسجة المطبوعة 3D التي تحتوي على شبكة الأوعية الدموية الهرمية ومفاغرتها الجراحية المجهرية المباشرة إلى الشريان الفخذي للفئران.
تتطلب هندسة الأنسجة السميكة القابلة للزرع والوظيفية تصميم شبكة وعائية هرمية. الطباعة الحيوية 3D هي تقنية تستخدم لإنشاء الأنسجة عن طريق إضافة طبقة فوق طبقة من المواد الحيوية القابلة للطباعة ، وتسمى الأحبار الحيوية ، والخلايا بطريقة منظمة وتلقائية ، مما يسمح بإنشاء هياكل معقدة للغاية لا تستطيع تقنيات هندسة الأنسجة التقليدية تحقيقها. وبالتالي ، فإن الطباعة الحيوية 3D هي نهج جذاب في المختبر لتقليد بنية الأوعية الدموية المعقدة الأصلية ، بدءا من الأوعية المليمترية إلى شبكات الأوعية الدموية الدقيقة.
مكن التقدم في الطباعة الحيوية 3D في الهلاميات المائية الحبيبية من البثق عالي الدقة للأحبار الحيوية القائمة على المصفوفة خارج الخلية منخفضة اللزوجة. يقدم هذا العمل مجتمعة الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد ونهج الطباعة ثلاثية الأبعاد القائم على القوالب التضحية لتصنيع لوحات الأنسجة الوعائية الهندسية. يتم استخدام الطباعة الحيوية 3D للخلايا البطانية والدعم باستخدام الحبر الحيوي المؤتلف من الكولاجين والميثاكريليت داخل حمام دعم الجيلاتين لتصنيع شبكة شعرية ذاتية التجميع. يتم تجميع هذه الأوعية الدموية الدقيقة المطبوعة حول سقالة مسامية تشبه الأوعية الدموية متوسطة الحجم ، ويتم تصنيعها باستخدام قالب مطبوع 3D مضحي ، ويتم زرعها بخلايا بطانية.
يحفز هذا التجميع بطانة الوعاء المتوسط الحجم على المفاغرة مع الشبكة الشعرية المحيطة ، وإنشاء شبكة وعائية هرمية داخل رفرف الأنسجة المهندس. ثم يتم زرع السديلة الهندسية مباشرة عن طريق المفاغرة الجراحية إلى الشريان الفخذي للفئران باستخدام تقنية الكفة. يمكن توسيع الطرق الموصوفة لتصنيع مختلف اللوحات النسيجية الوعائية لاستخدامها في جراحة إعادة البناء ودراسات الأوعية الدموية.
تحدث عيوب الأنسجة الشديدة بسبب الإصابات المؤلمة أو العيوب الخلقية أو المرض ، والمعيار الذهبي الحالي لعلاج هذه العيوب هو باستخدام الطعوم الذاتية ، ولوحات الأنسجة الوعائية ، واللوحات الحرة للأوعية الدموية الدقيقة كبدائل للأنسجة. ومع ذلك ، فإن هذه الخيارات لها عيوب محدودية أنسجة موقع المتبرع واعتلال موقع المتبرع1. وبالتالي ، هناك طلب متزايد على بدائل الأنسجة البديلة التي يمكن استخدامها لتصحيح هذه العيوب2. إن سمك هياكل الأنسجة الهندسية محدود بانتشار العناصر الغذائية والغازات نحو الخلايا ، وبالتالي ، فإن شبكة الأوعية الدموية المناسبة ضرورية لتوليد سقالات كبيرة وسميكة ومغذية بشكل صحيح.
تم تطبيق العديد من النهج لتعزيز الأوعية الدموية للغرسات الهندسية3 ، بما في ذلك التوظيف في الجسم الحي لدعم الأوعية الدموية من المضيف ، وتوصيل عوامل النمو والسيتوكينات داخل السقالات ، وقبل الأوعية الدموية للغرسات ، وتوليد سرير الأوعية الدقيقة المتفرعة القابلة للنفخ باستخدام تقنيات الأنماط الدقيقة4 ، واستخدام مواد التضحية لتشكيل القناة الوعائية / الشبكة5 ، فضلا عن إنشاء قنوات داخل 3D المطبوعات الحيوية يبني 5,6. يتطلب الأوعية الدموية للأنسجة السميكة دمج شبكة وعائية هرمية تتكون من أوعية على نطاق واسع وعلى نطاق الشعيرات الدموية الدقيقة. تقوم الأوعية ذات النطاق الكلي بتوزيع الدم بشكل فعال في جميع أنحاء البناء وتسمح بمفاغرة الجراحة المجهرية مع الأوعية الدموية المضيفة ، في حين تسمح الأوعية ذات النطاق الشعري الدقيق بنشر المغذيات.
اكتسبت الطباعة الحيوية اهتماما قويا في السنوات الأخيرة بسبب المزايا التي تقدمها على طرق هندسة الأنسجة التقليدية. الأنسجة والأعضاء هي كائنات 3D معقدة ومعقدة مع بنية محددة. تتيح الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد ، مع قدرتها على إيداع طبقات من المواد الحيوية بدقة عالية ، القدرة على إنشاء بدائل معقدة للأنسجة والأعضاء (مثل الكلى والرئة والكبد) 7. تم تكييف العديد من تقنيات الطباعة للطباعة الحيوية ، بما في ذلك الطباعة القائمة على البثق ، النافثة للحبر8 ، والترسب بمساعدة الليزر9،10 ، والطباعة الحيوية القائمة على الطباعة الحجرية المجسمة11،12. تعتمد التقنيات القائمة على البثق على بثق المادة من خلال فوهة عن طريق الضغط على سطح المادة السائبة المقابل للفوهة.
التضمين الحر القابل للانعكاس للهيدروجيل المعلق (FRESH) هو تقنية طباعة حيوية 13,14 تستخدم مادة دعم حبيبية يتم فيها إيداع المادة المبثوقة وتثبيتها في مكانها بواسطة حمام الدعم. يوفر حمام الدعم دعما ميكانيكيا للحبر الحيوي المبثوق والمتقاطع مسبقا حتى يتم ربطه. الميزة الرئيسية لهذه التقنية هي أن حمام الدعم يسمح بقذف المواد منخفضة اللزوجة التي لا يمكنها الحفاظ على شكلها بعد البثق وقبل الربط المتقاطع15. هذا يوسع مجموعة المواد المتاحة التي يمكن استخدامها كأحبار حيوية.
تقدم هذه الورقة بروتوكولا لتوليد رفرف وعائي يجمع بين الأوعية الدموية المجهرية والمتوسطة. ولتحقيق ذلك، يتم إنشاء شبكات الأوعية الدموية الدقيقة المطبوعة بيولوجيا وذاتية التجميع في هيدروجيل ميثاكريليت الكولاجين البشري المؤتلف (rhCollMA)، والذي يتصل بعد ذلك بالجزء الداخلي من سقالة وعائية أكبر وقابلة للزرع، مما يؤدي إلى رفرف الأنسجةالمصمم بالكامل 16. لإنشاء تروية سريعة ومباشرة للأنسجة الهندسية ، يلزم إجراء مفاغرة جراحية مجهرية مباشرة لاستضافة الأوعية. لا تحتوي السقالة الوعائية على قوة كافية للاحتفاظ بالخياطة لاستخدامها باستخدام خياطة جدار الأوعية المجهرية التقليدية. لذلك ، نصف طريقة “الكفة”17،18،19 لتحقيق مفاغرة مع الشريان الفخذي المشترك للفئران. في هذه الطريقة ، يتم تأمين نهايات السفينة بخيوط محيطية ، دون الحاجة إلى ثقب جدار السفينة.
على الرغم من أن البروتوكول المقترح قد تم إعداده لدراسة الأوعية الدموية الهرمية في بيئة rhCollMA ، إلا أنه يمكن توسيع هذا النهج وتطبيقه على مجموعة متنوعة من التطبيقات الجديدة. يمكن تطبيق البروتوكول على الطباعة الحيوية لمختلف الخلايا الخاصة بالأنسجة في أحبار حيوية مختلفة. علاوة على ذلك ، يمكن تعديل هندسة وحجم التركيبات بسهولة لتناسب متطلبات محددة ، مثل إعادة بناء الأنسجة الكبيرة أو الدراسات البيولوجية.
هندسة الأنسجة الوعائية هي واحدة من التحديات الرئيسية لهندسة الأنسجة20. تركز الطرق الحالية لإنشاء أنسجة الأوعية الدموية الهندسية على إنشاء الأوعية الدموية الدقيقة المجمعة ذاتيا 21,22,23 أو تصنيع سقالات الأوعية الدموية متوسطة الحجم 24,25 وليس على إعادة إنشاء نظام الأوعية الدموية الهرمي ، والذي يمكن اختراقه على الفور ومباشرة عندالزرع 26 . في هذا العمل ، نصف بروتوكولا يستخدم طريقتين للطباعة 3D لتصنيع شبكة سفن هرمية تتكون من الأوعية الدموية الدقيقة والمتوسطة. يجمع البروتوكول بين شبكة الأوعية الدموية الدقيقة المطبوعة بيولوجيا 3D وذاتية التجميع مع سقالة وعائية متوسطة الحجم ، مما يحقق رفرف قابل للزرع والأوعية الدموية. علاوة على ذلك ، تقدم هذه الورقة بروتوكولا لمفاغرة هذا السديلة مباشرة إلى الشريان الفخذي للفئران.
اكتسبت الطباعة الحيوية 3D اهتماما في السنوات الأخيرة بسبب تنوعها على تقنيات هندسة الأنسجة التقليدية. في حين يصف هذا البروتوكول توليد شبكة الأوعية الدموية الدقيقة في الحبر الحيوي rhCollMA ، يمكن تطبيق الطرق المستخدمة مع تعديلات قليلة على العديد من الأحبار الحيوية الأخرى من عدد كبير من الأحبار الحيوية المدروسة والجديدة وحمامات الدعم27,28. اخترنا استخدام rhCollMA كحبر حيوي بسبب وفرة الكولاجين من النوع الأول في ECM البشري ، مما يوفر بيئة مناسبة لربط الخلايا. علاوة على ذلك ، يتم إنتاجه بشكل مؤتلف في النباتات وتعديله بشكل أكبر مع مجموعات الميثاكريليت ، مما يسمح بالبلمرة الضوئية وتشكيل هيدروجيل 3D مستقر29,30. تم تحقيق الربط الضوئي عن طريق إضافة البادئ الضوئي LAT ، والذي ثبت أنه غير سام ويتم تنشيطه عن طريق التعرض للضوء الأزرق 405 نانومتر ، مما يقلل من السمية الضوئية المحتملة للأشعة فوق البنفسجية. ومع ذلك ، فإن استخدام الأحبار الحيوية الحساسة للضوء يتطلب استخدام وسط استزراع خال من الفينول الأحمر لإعداد الحبر الحيوي والمواد الداعمة. علاوة على ذلك ، يصف البروتوكول استخدام مواد دعم الجيلاتين ، والتي تمكن من البثق عالي الدقة للأحبار الحيوية مثل rhCollMA. وبالتالي ، من الأهمية بمكان ضمان استخدام الوسط البارد أثناء إعداده وتبريد سرير الطابعة. قد يحدث التسخين المفرط بسبب مصدر الضوء المستخدم للربط المتبادل أو من درجات الحرارة المحيطة المرتفعة.
تم استخدام طابعة حيوية قائمة على البثق هنا لإنشاء شبكة الأوعية الدموية الدقيقة المطبوعة بيولوجيا ، وهناك حاليا العديد من الطابعات الحيوية المتاحة تجاريا والتي يمكنها توليد هياكل مماثلة. علاوة على ذلك ، يمكن تعديل الطرق المقترحة وتطبيقها بسهولة لدراسة الأشكال الهندسية والأحجام وأنماط التعبئة المختلفة. في هذا العمل ، تم اختيار نمط ملء مستقيم لإنشاء مسام مترابطة ، ويمكن طباعتها بسرعة نسبية بدقة عالية.
تشكل فقاعات الهواء تحديا كبيرا في الطباعة الحيوية للبثق ، خاصة داخل مواد الدعم. لذلك ، من الأهمية بمكان تقليل وجود وتكوين هذه الفقاعات باستخدام ماصات الإزاحة الإيجابية لنقل مواد الدعم ، وإعداد تعليق خلية الحبر الحيوي ، ونقلها إلى خراطيش الطباعة.
في هذا العمل ، تم استخدام الخلايا البطانية المشتقة من الدهون البشرية والخلايا الجذعية لب الأسنان كخلايا داعمة بسبب عزلها السهل نسبيا عن المرضى. علاوة على ذلك ، تم اختيار تركيز إجمالي للخلايا يبلغ 8 × 106 خلايا / مل حيث ثبت أن هذا التركيز ينشئ شبكات الأوعية الدموية الأكثر تطورا16. في حين يمكن استخدام هذا البروتوكول لتوليد الأوعية الدموية الدقيقة باستخدام أنواع ومصادر مختلفة من الخلايا ، وكذلك الأحبار الحيوية المختلفة ، يجب إجراء معايرة لتركيز الخلايا لتهيئة أفضل الظروف لتطوير شبكة الأوعية الدموية الدقيقة. علاوة على ذلك ، يمكن دمج الخلايا الخاصة بالأنسجة (أي الأرومات العضلية أو الأرومات العظمية) داخل الحبر الحيوي لتحقيق لوحات وعائية خاصة بالأنسجة.
تم تصنيع قالب السقالة الوعائية المسامية باستخدام مواد مطبوعة 3D قابلة للذوبان في الماء على طابعة 3D البثق المتاحة تجاريا. وهذا يؤدي إلى تقنية فعالة من حيث التكلفة تعتمد على منصات النماذج الأولية السريعة ، بحيث يمكن دراسة العديد من الأشكال الهندسية والأحجام المختلفة للسقالات الوعائية وفحصها بسرعة31. ومع ذلك ، فإن أحد قيود هذه الطريقة هو حد الدقة لمعظم الطابعات ثلاثية الأبعاد32. ومع ذلك ، مع التطور السريع للصناعة المحيطة بالتصنيع المضاف ، من المتوقع أن تتحسن هذه الحدود بمرور الوقت. يعد استخدام المذيبات العضوية لعملية التصنيع قيدا آخر للبروتوكول ، حيث أن معظم المذيبات العضوية سامة للخلايا ، مما يمنع القدرة على الجمع بين إجراء الطباعة الحيوية وعملية تصنيع السقالة الوعائية.
الطريقة الموصوفة لبذر تجويف السقالة باستخدام الشفط بدلا من دفع تعليق الخلية لها تأثيرات كبيرة على توطين الخلايا البذرية. يسمح استخدام الضغط السلبي بإنداج التجويف الداخلي للسقالة مع تقليل أي انسكاب لتعليق الخلية من خلال الثقوب الموجودة على جدار السقالة16.
يمكن تعديل طريقة “الكفة” الموصوفة للمفاغرة الجراحية المجهرية بسهولة وتكييفها مع مواد أو أحجام سقالات الأوعية الدموية المختلفة ، وكذلك مع الشرايين والأوردة المختلفة في نطاق واسع من النماذج الحيوانية. وستشمل التعديلات على البروتوكول أحجاما مختلفة لأنابيب البوليميد وأحجاما للخياطة. لا تتطلب هذه الطريقة ثقب جدار السقالة ، مما قد يؤدي إلى تطور العيوب. يقدم هذا العمل بروتوكولا يمكن توسيعه ليشمل العديد من التطبيقات. تمثل الجوانب الحاسمة لهذا البروتوكول ، والتي تشمل تصنيع الأوعية الدموية المتوسطة والمجهرية وتجميعها وزرعها ، جوانب حاسمة من اللوحات الهندسية لكل من التطبيقات الترميمية ، وكذلك دراسات هندسة الأوعية الدموية وغيرها من الأنسجة.
The authors have nothing to disclose.
تلقى هذا المشروع تمويلا من مجلس البحوث الأوروبي (ERC) في إطار برنامج البحث والابتكار Horizon 2020 التابع للاتحاد الأوروبي (اتفاقية المنحة رقم 818808). تم توفير rhCollMA بسخاء من قبل CollPlant (رحوفوت ، إسرائيل). يشكر المؤلفون هيئة البحوث ما قبل السريرية في التخنيون على المساعدة في رعاية الحيوانات ، وكذلك جانيت زافين وغاليا بن ديفيد وعيدان ريدينسكي.
1,4-Dioxane | Biosolve Chemical | 42405 | |
27 G x 0.5" blunt tip dispensing needles | CML supply | 901-27-050 | |
3cc amber syringe barrel & piston set | Nordson EFD | 7012085 | Amber syringes used to block light and prevent premature crosslinking |
5-0 AssuCryl PGA absorbale suture | Assut Sutures | Absorbable sutures used for skin wound closure | |
6-0 polypropelene sutures | Assut Sutures | 9351 | |
Acland clamps | S&T | B-1V | |
Adventitia scissors | S&T | SAS-15 | |
Angled no.3 jeweler's forceps | S&T | JFAL-3-18 | |
BioAssemblyBot 400 3D Bioprinter | Advanced Solutions | a 6-axis 3D bioprinter | |
Bovine albumin serum Probumin | Millipore | 82-045-1 | |
Buprenorphine | vetmarket | B15100 | |
BVOH filament | Verbatim | 55903 | a water-soluble 1.75 mm diameter filament |
Clamp applying forceps | S&T | CAF-4 | |
Dental pulp stem cells | Lonza | PT-5025 | |
Dietrich bulldog clamps | Fine Science Tools (FST) | 18039-45 | |
di-Sodium hydrogen phosphate (Na2HPO4) | Carlo Erba Reagents | 480141 | |
Dissection scissors | S&T | 18039-45 | |
DMEM, High Glucose, No Phenol Red | Sartorius | 01-053-1A | |
Duratears | Alcon | DJ03 | |
ECM media + bullet kit | Sciencell | #1001 | |
Ethanol 96% | Gadot-Group | 64-17-5 | |
GlutaMAX | Gibco | 35050061 | glutamine substitute |
Goat anti-mouse Cy3 antibody | Jackson | 115-166-072 | |
Heparin Sodium 5,000 I.U./mL | Panpharma | – | |
Human adipose microvascular cells | Sciencell | #7200 | |
Human fibronectin | Sigma | F0895-5MG | A stock concentration of 1 mg/mL |
Isoflurane, USP Terrell | Piramal Critical Care | NDC 66794-011-25 | |
LifeSupport | Advanced Biomatrix | 5244 | a gelatin support slurry for FRESH 3D bioprinting |
Lithium phenyl-2,4,6-trimethylbenzoylphosphinate (LAP) | Sigma-Aldrich | 900889 | |
Low-glucose DMEM | Biological Industries | 01-050-1A | |
MICROMAN E M1000E, 100-1,000 µL | Gilson | FD10006 | |
Mouse anti-SMA antibody | Dako | M0851 | |
NEAA | Gibco | 11140068 | |
Needle holder | Fine Science Tools (FST) | 12500-12 | |
Paraformaldehyde solution 4% in PBS | ChemCruz | SC-281692 | |
Penicillin-Streptomycin-Nystatin Solution | Biological Industries | 03-032-1B | |
Phospate buffered saline (PBS) | Sigma | P5368-10PAK | |
Poly(ethylene oxide), M.W. 250,000 to 400,000 | Acros Organics | 178602500 | |
Poly(L-lactic acid), IV 5.0 dl/g (PLLA) | Polysciencse, Inc. | 18582-10 | |
Polyimide tubing, ID: 0.0249", OD: 0.0273" | Cole-Parmer | 95820-05 | A thin-walled tube used to fabricate cuffs for microsurgical anastomoses |
Prusa I3 MK2.5 3D Printer | Prusa Research | http://www.prusa3d.com/ | a popular commercial 3D printer |
Resomer RG 503 H, Poly(D,L-lactide-co-glycolide) (PLGA) | Evonik Industries | 719870 | |
rhCollMA | CollPlant | https://collplant.com/ | generously provided by CollPlant (Rehovot, Israel) |
round-handled needle holder | S&T | B-15-8 | |
Scalpel handle – #3 | Fine Science Tools (FST) | 10003-12 | |
small fine straight scissors | Fine Science Tools (FST) | 14090-09 | |
Sodium Chloride | Biosolve Chemical | 19030591 | |
Sodium Phosphate dibasic (NaH2PO4) | Riedel-de Haen | 4276 | |
Solidworks | Dassault Systems | CAD software | |
Straight no.3 jeweler's forceps | S&T | JF-3-18 | |
Straight serrated forceps | Fine Science Tools (FST) | 11050-10 | |
Surgical Scalpel Blade No.15 | Swann-Morton Limited | 305 | |
Triton-X 100 | BioLab LTD | 57836 | |
TSIM | Advanced Solutions | 3D slicing and design software for the BioAssembly Bot | |
Vessel dilator | S&T | D-5a.1 | |
Zeiss Tivato 700 surgical microscope | Zeiss |