Ontworpen flappen vereisen een geïntegreerd functioneel vasculair netwerk. In dit protocol presenteren we een methode voor het fabriceren van een 3D-geprinte weefselflap met een hiërarchisch vasculair netwerk en de directe microchirurgische anastomosen naar de dijbeenslagader van ratten.
Engineering implanteerbare, functionele, dikke weefsels vereist het ontwerpen van een hiërarchisch vasculair netwerk. 3D-bioprinting is een technologie die wordt gebruikt om weefsels te creëren door laag op laag printbare biomaterialen, bioinks en cellen op een ordelijke en automatische manier toe te voegen, waardoor zeer ingewikkelde structuren kunnen worden gecreëerd die traditionele weefselmanipulatietechnieken niet kunnen bereiken. 3D-bioprinting is dus een aantrekkelijke in vitro benadering om de inheemse vasculatuurcomplexstructuur na te bootsen, variërend van millimetrische vaten tot microvasculaire netwerken.
Vooruitgang in 3D-bioprinting in granulaire hydrogels maakte de extrusie met hoge resolutie van extracellulaire matrixgebaseerde bioinks met lage viscositeit mogelijk. Dit werk presenteert een gecombineerde 3D-bioprinting en op offervorm gebaseerde 3D-printbenadering voor het fabriceren van gemanipuleerde gevasculariseerde weefselflappen. 3D-bioprinting van endotheel- en ondersteuningscellen met behulp van recombinant collageen-methacrylaatbioink in een gelatine-ondersteuningsbad wordt gebruikt voor de fabricage van een zelfgeassembleerd capillair netwerk. Deze geprinte microvasculatuur is geassembleerd rond een mesoschaalvatachtige poreuze steiger, vervaardigd met behulp van een opofferende 3D-geprinte mal, en is bezaaid met endotheelcellen.
Deze assemblage induceert het endotheel van het mesoschaalvat tot anastomose met het omliggende capillaire netwerk, waardoor een hiërarchisch vasculair netwerk ontstaat binnen een gemanipuleerde weefselflap. De gemanipuleerde flap wordt vervolgens direct geïmplanteerd door chirurgische anastomose in een heupslagader van een rat met behulp van een manchettechniek. De beschreven methoden kunnen worden uitgebreid voor de fabricage van verschillende gevasculariseerde weefselflappen voor gebruik in reconstructiechirurgie en vascularisatiestudies.
Ernstige weefseldefecten worden veroorzaakt door traumatische verwondingen, aangeboren afwijkingen of ziekte, en de huidige gouden standaard voor de behandeling van deze defecten is door het gebruik van autologe transplantaten, gevasculariseerde weefselflappen en microvasculaire vrije flappen als weefselvervangers. Deze opties hebben echter de nadelen van beperkte donorplaatsweefsel en morbiditeit op de donorplaats1. Er is dus een groeiende vraag naar alternatieve weefselvervangers die kunnen worden gebruikt om deze defecten te corrigeren2. De dikte van de gemanipuleerde weefselconstructies wordt beperkt door de diffusie van voedingsstoffen en gassen naar de cellen, en daarom is een goed vasculair netwerk essentieel voor het genereren van grote, dikke en goed gevoede steigers.
Verschillende benaderingen zijn toegepast om de vascularisatie van gemanipuleerde implantaten te bevorderen3, waaronder de in vivo rekrutering van vasculaire ondersteuning van de gastheer, de levering van groeifactoren en cytokines in de steigers, de prevascularisatie van implantaten, het genereren van een perfuseerbaar vertakkend microvesselbed met behulp van micropatterningtechnieken4, het gebruik van opofferingsmaterialen voor vasculaire kanaal- / netwerkvorming5 , evenals het creëren van kanalen binnen 3D bioprinted constructen 5,6. Vascularisatie van dikke weefsels vereist de integratie van een hiërarchisch vasculair netwerk bestaande uit bloedvaten op macroschaal en microcapillaire schaal. De bloedvaten op macroschaal verdelen het bloed effectief door het hele construct en maken microchirurgische anastomosen met de bloedvaten van de gastheer mogelijk, terwijl de bloedvaten op microcapillaire schaal de diffusie van voedingsstoffen mogelijk maken.
Bioprinting heeft de afgelopen jaren veel aandacht gekregen vanwege de voordelen die het biedt ten opzichte van conventionele tissue engineering-methoden. Weefsels en organen zijn complexe en ingewikkelde 3D-objecten met een specifieke architectuur. 3D-bioprinting, met zijn vermogen om lagen biomaterialen in hoge resolutie af te zetten, maakt het mogelijk om complexe weefsel- en orgaanvervangers (bijv. Nier, long, lever) te creëren 7. Verschillende printtechnologieën zijn aangepast voor bioprinting, waaronder extrusie-gebaseerde, inkjet8, laser-assisted deposition 9,10 en stereolithografie-gebaseerde11,12 bioprinting. De op extrusie gebaseerde technologieën zijn afhankelijk van het extruderen van het materiaal door een mondstuk door druk uit te oefenen op het materiaalmassaoppervlak tegenover het mondstuk.
Free-form reversible embedding of suspended hydrogels (FRESH) is een bioprinttechniek13,14 waarbij gebruik wordt gemaakt van een granulair ondersteuningsmateriaal waarin het geëxtrudeerde materiaal wordt afgezet en op zijn plaats wordt gefixeerd door het steunbad. Het steunbad biedt mechanische ondersteuning voor de geëxtrudeerde, vooraf verknoopte bioink tot de crosslinking. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat het steunbad het mogelijk maakt om materialen met een lage viscositeit te extruderen die hun vorm niet kunnen behouden na extrusie en vóór crosslinking15. Dit vergroot de pool van beschikbare materialen die als bioinks kunnen worden gebruikt.
Dit artikel presenteert een protocol voor het genereren van een gevasculariseerde flap die vasculatuur op microschaal en mesoschaal combineert. Om dit te bereiken, worden bioprinted, zelfassemblerende, microvasculaire netwerken gegenereerd in recombinant humaan collageenmethacrylaat (rhCollMA) hydrogel, dat vervolgens verbinding maakt met het binnenste van een grotere, implanteerbare, vasculaire steiger, wat resulteert in een volledig gemanipuleerde weefselflap16. Om een snelle en directe perfusie van gemanipuleerde weefsels tot stand te brengen, is een directe microchirurgische anastomose naar gastheervaten vereist. De vasculaire steiger heeft niet voldoende hechtsterkte om te worden geanastomoseerd met behulp van traditionele microchirurgische vaatwand hechting. Daarom beschrijven we een “manchet”17,18,19 methode om een anastomose te bereiken met de gemeenschappelijke dijbeenslagader van een rat. Bij deze methode worden de uiteinden van het vat vastgezet met omtreknaden, zonder dat de vaatwand hoeft te worden geperforeerd.
Hoewel het voorgestelde protocol is voorbereid om hiërarchische vasculatuur in de rhCollMA-omgeving te bestuderen, kan deze aanpak worden uitgebreid en toegepast op een verscheidenheid aan nieuwe toepassingen. Het protocol kan worden toegepast op het bioprinten van verschillende weefselspecifieke cellen in verschillende bioinks. Bovendien kunnen de geometrie en grootte van de constructies eenvoudig worden aangepast aan specifieke vereisten, zoals grote weefselreconstructie of biologische studies.
Engineering gevasculariseerde weefsels is een van de belangrijkste uitdagingen van tissue engineering20. De huidige methoden voor het creëren van gemanipuleerd vasculair weefsel richten zich op het creëren van zelfgeassembleerde microvasculatuur 21,22,23 of het fabriceren van mesoschaal vasculaire steigers 24,25 en niet op het opnieuw creëren van een systeem van hiërarchische vasculatuur, dat onmiddellijk en direct na implantatie kan worden doordrenkt26 . In dit werk beschrijven we een protocol dat gebruik maakt van twee 3D-printmodaliteiten om een hiërarchisch vatnetwerk te fabriceren dat bestaat uit vasculaturen op microschaal en mesoschaal. Het protocol combineert een 3D-bioprinted, zelfgeassembleerd microvasculair netwerk met een mesoschaal vasculaire steiger, waardoor een implanteerbare, gevasculariseerde flap wordt bereikt. Verder presenteert dit artikel een protocol voor het direct anastomeren van deze flap naar de dijbeenslagader van een rat.
3D-bioprinting heeft de afgelopen jaren aan interesse gewonnen vanwege de veelzijdigheid ten opzichte van traditionele tissue engineering-technieken. Hoewel dit protocol de generatie van een microvasculair netwerk in rhCollMA-bioink beschrijft, kunnen de gebruikte methoden met weinig aanpassingen worden toegepast op vele andere bioinks uit de overvloed aan bestudeerde en nieuwe bioinks en ondersteunende baden27,28. We kozen ervoor om rhCollMA als biobaan te gebruiken vanwege de overvloed aan type I collageen in de menselijke ECU, waardoor een geschikte omgeving voor celaanhechting wordt geboden. Bovendien wordt het recombinant geproduceerd in planten en verder gemodificeerd met methacrylaatgroepen, wat fotopolymerisatie en de vorming van stabiele 3D-hydrogelsmogelijk maakt 29,30. Photocrosslinking werd bereikt door de toevoeging van de foto-initiator LAP, waarvan is aangetoond dat deze niet-toxisch is en wordt geactiveerd door blootstelling aan 405 nm blauw licht, waardoor de mogelijke fototoxiciteit van UV-licht wordt verminderd. Het gebruik van lichtgevoelige bioinks vereist echter het gebruik van een fenolroodvrij kweekmedium voor de bereiding van de bioink en het dragermateriaal. Verder beschrijft het protocol het gebruik van gelatine-ondersteuningsmateriaal, dat de high-fidelity extrusie van bioinks zoals rhCollMA mogelijk maakt. Het is dus van cruciaal belang om het gebruik van koud medium te garanderen tijdens de bereiding en de koeling van het printerbed. Overmatige verwarming kan optreden als gevolg van de lichtbron die wordt gebruikt voor crosslinking of van verhoogde omgevingstemperaturen.
Een op extrusie gebaseerde bioprinter is hier gebruikt om het bioprinted microvasculaire netwerk te creëren, en er zijn momenteel veel commercieel verkrijgbare bioprinters die vergelijkbare constructies kunnen genereren. Bovendien kunnen de voorgestelde methoden eenvoudig worden gewijzigd en toegepast om verschillende geometrieën, maten en invulpatronen te bestuderen. In dit werk is gekozen voor een rechtlijnig invulpatroon om onderling verbonden poriën te creëren, en dit kan relatief snel met hoge getrouwheid worden afgedrukt.
Luchtbellen vormen een aanzienlijke uitdaging bij het afdrukken van extrusiebioprinting, vooral in ondersteunende materialen. Daarom is het van cruciaal belang om de aanwezigheid en vorming van deze bellen te minimaliseren door pipetten met positieve verplaatsing te gebruiken voor de overdracht van het ondersteuningsmateriaal, de voorbereiding van de bioink-celsuspensie en hun overdracht naar de printcartridges.
In dit werk werden menselijke vetweefsel-afgeleide endotheelcellen en tandpulpstamcellen gebruikt als ondersteunende cellen vanwege hun relatief eenvoudige isolatie van patiënten. Bovendien werd gekozen voor een totale celconcentratie van 8 x 106 cellen/ml, omdat is aangetoond dat deze concentratie de meest ontwikkelde vasculaire netwerken tot stand brengt16. Hoewel dit protocol kan worden gebruikt om microvasculatuur te genereren met behulp van verschillende celtypen en bronnen, evenals verschillende bioinks, moet een kalibratie van de celconcentratie worden uitgevoerd om de beste omstandigheden voor de ontwikkeling van het microvasculaire netwerk vast te stellen. Bovendien kunnen weefselspecifieke cellen (d.w.z. myoblasten of osteoblasten) in de bioink worden opgenomen om weefselspecifieke gevasculariseerde flappen te bereiken.
De mal voor de poreuze vasculaire steiger werd vervaardigd met behulp van 3D-geprint wateroplosbaar materiaal op een in de handel verkrijgbare extrusie 3D-printer. Dit resulteert in een kosteneffectieve techniek op basis van rapid prototyping-platforms, zodat veel verschillende geometrieën en maten van vasculaire steigers snel kunnen worden bestudeerd en gescreend31. Niettemin is een beperking van deze methode de resolutielimiet van de meeste 3D-printers32. Met de snel evoluerende industrie rond additieve productie, wordt echter verwacht dat deze limieten in de loop van de tijd zullen verbeteren. Het gebruik van organische oplosmiddelen voor het fabricageproces is een andere beperking van het protocol, omdat de meeste organische oplosmiddelen giftig zijn voor cellen, waardoor het niet mogelijk is om de bioprintingprocedure te combineren met het vasculaire steigerfabricageproces.
De beschreven methode om het lumen van de steiger te zaaien met behulp van aspiratie in tegenstelling tot het duwen van de celsuspensie heeft grote effecten op de lokalisatie van de gezaaide cellen. Het gebruik van negatieve druk maakt endotheelisatie van het binnenste lumen van de steiger mogelijk, terwijl het morsen van de celsuspensie door de perforaties op de wand van de steiger wordt geminimaliseerd16.
De beschreven “manchet” -methode voor microchirurgische anastomosen kan eenvoudig worden gewijzigd en aangepast aan verschillende vasculaire steigermaterialen of -maten, evenals aan verschillende slagaders en aderen in een breed scala van diermodellen. De aanpassingen aan het protocol zouden verschillende polyimide buismaten en hechtingsgroottes omvatten. Deze methode vereist geen perforatie van de steigerwand, wat kan leiden tot de ontwikkeling van defecten. Dit werk presenteert een protocol dat kan worden uitgebreid naar vele toepassingen. De kritieke aspecten van dit protocol, waaronder de fabricage van meso- en microschaal vasculatuur en hun assemblage en implantatie, vertegenwoordigen kritieke aspecten van gemanipuleerde flappen, zowel voor reconstructieve toepassingen als voor vasculaire en andere tissue engineering studies.
The authors have nothing to disclose.
Dit project ontving financiering van de European Research Council (ERC) in het kader van het Horizon 2020 Research and Innovation Programme van de Europese Unie (subsidieovereenkomst nr. 818808). rhCollMA werd genereus verstrekt door CollPlant (Rehovot, Israël). De auteurs bedanken de Pre-clinical Research Authority van Technion voor de hulp bij dierenverzorging, evenals Janette Zavin, Galia Ben David en Idan Redenski.
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 |