Los colgajos diseñados requieren una red vascular funcional incorporada. En este protocolo, presentamos un método de fabricación de un colgajo de tejido impreso en 3D que contiene una red vascular jerárquica y sus anastomosis microquirúrgicas directas a la arteria femoral de rata.
La ingeniería de tejidos implantables, funcionales y gruesos requiere el diseño de una red vascular jerárquica. La bioimpresión 3D es una tecnología utilizada para crear tejidos mediante la adición de capa tras capa de biomateriales imprimibles, denominados biotintas y células de manera ordenada y automática, lo que permite crear estructuras altamente intrincadas que las técnicas tradicionales de ingeniería de tejidos no pueden lograr. Por lo tanto, la bioimpresión 3D es un enfoque in vitro atractivo para imitar la estructura compleja de la vasculatura nativa, que va desde los vasos milimétricos hasta las redes microvasculares.
Los avances en la bioimpresión 3D en hidrogeles granulares permitieron la extrusión de alta resolución de biotintas basadas en matriz extracelular de baja viscosidad. Este trabajo presenta un enfoque combinado de bioimpresión 3D e impresión 3D basada en moldes de sacrificio para fabricar colgajos de tejido vascularizado diseñados. La bioimpresión 3D de células endoteliales y de soporte utilizando biotinta de colágeno-metacrilato recombinante dentro de un baño de soporte de gelatina se utiliza para la fabricación de una red capilar autoensamblada. Esta microvasculatura impresa se ensambla alrededor de un andamio poroso similar a un vaso de mesoescala, fabricado utilizando un molde sacrificial impreso en 3D, y se siembra con células endoteliales.
Este ensamblaje induce al endotelio del vaso de mesoescala a anastomosa con la red capilar circundante, estableciendo una red vascular jerárquica dentro de un colgajo de tejido diseñado. El colgajo diseñado se implanta directamente mediante anastomosis quirúrgica en una arteria femoral de rata utilizando una técnica de manguito. Los métodos descritos se pueden ampliar para la fabricación de varios colgajos de tejido vascularizado para su uso en cirugía de reconstrucción y estudios de vascularización.
Los defectos tisulares graves son causados por lesiones traumáticas, defectos congénitos o enfermedades, y el estándar de oro actual para tratar estos defectos es mediante el uso de injertos autólogos, colgajos de tejido vascularizado y colgajos libres microvasculares como sustitutos de tejidos. Sin embargo, estas opciones tienen los inconvenientes de la limitación del tejido del sitio donante y la morbilidad del sitio donante1. Por lo tanto, existe una creciente demanda de sustitutos de tejidos alternativos que se pueden utilizar para corregir estos defectos2. El grosor de las construcciones de tejido diseñado está limitado por la difusión de nutrientes y gases hacia las células y, por lo tanto, una red vascular adecuada es esencial para generar andamios grandes, gruesos y adecuadamente nutridos.
Se han aplicado varios enfoques para promover la vascularización de implantes diseñados3, incluyendo el reclutamiento in vivo de soporte vascular del huésped, la entrega de factores de crecimiento y citoquinas dentro de los andamios, la prevascularización de implantes, la generación de un lecho de microvaso ramificado perfusible utilizando técnicas de micropatronaje4, el uso de materiales de sacrificio para la formación de canales/ redes vasculares5 , así como la creación de canales dentro de construcciones bioimpresas en 3D 5,6. La vascularización de tejidos gruesos requiere la incorporación de una red vascular jerárquica formada por vasos a macroescala y microcapilares. Los vasos a macroescala distribuyen la sangre de manera efectiva a lo largo de la construcción y permiten anastomosis microquirúrgicas con los vasos sanguíneos del huésped, mientras que los vasos de escala microcapilar permiten la difusión de nutrientes.
La bioimpresión ha ganado gran atención en los últimos años debido a las ventajas que ofrece sobre los métodos convencionales de ingeniería de tejidos. Los tejidos y órganos son objetos 3D complejos e intrincados con una arquitectura específica. La bioimpresión 3D, con su capacidad para depositar capas de biomateriales en alta resolución, permite la capacidad de crear tejidos complejos y sustitutos de órganos (por ejemplo, riñón, pulmón, hígado)7. Se han adaptado varias tecnologías de impresión para la bioimpresión, incluida la bioimpresiónbasada en extrusión, inyección de tinta 8, deposición asistida por láser 9,10 y bioimpresión11,12 basada en estereolitografía. Las tecnologías basadas en la extrusión se basan en la extrusión del material a través de una boquilla mediante la aplicación de presión sobre la superficie a granel del material opuesta a la boquilla.
La incrustación reversible de hidrogeles suspendidos (FRESH) de forma libre es una técnica de bioimpresión13,14 que utiliza un material de soporte granular en el que el material extruido se deposita y se fija en su lugar mediante el baño de soporte. El baño de soporte proporciona soporte mecánico para la biotinta extruida y pre-reticulada hasta su reticulación. La principal ventaja de esta técnica es que el baño de soporte permite extruir materiales de baja viscosidad que no pueden mantener su forma después de la extrusión y antes de la reticulación15. Esto amplía el conjunto de materiales disponibles que se pueden utilizar como biotintas.
Este trabajo presenta un protocolo para la generación de un colgajo vascularizado que combina vasculaturas a microescala y mesoescala. Para lograr esto, se generan redes microvasculares bioimpresas, autoensamblables, en hidrogel de metacrilato de colágeno humano recombinante (rhCollMA), que luego se conecta al interior de un andamio vascular implantable más grande, lo que resulta en un colgajo de tejido completamente diseñado16. Para establecer una perfusión rápida y directa de los tejidos modificados, se requiere una anastomosis microquirúrgica directa a los vasos huéspedes. El andamio vascular no tiene suficiente fuerza de retención de sutura para ser anastomosado utilizando la sutura tradicional de la pared del vaso microquirúrgico. Por lo tanto, describimos un método de “manguito”17,18,19 para lograr una anastomosis con la arteria femoral común de una rata. En este método, los extremos del vaso se aseguran con suturas circunferenciales, sin la necesidad de perforar la pared del vaso.
Aunque el protocolo propuesto se ha preparado para estudiar la vasculatura jerárquica en el entorno rhCollMA, este enfoque se puede ampliar y aplicar a una variedad de nuevas aplicaciones. El protocolo se puede aplicar a la bioimpresión de varias células específicas de tejidos en diferentes biotintas. Además, la geometría y el tamaño de las construcciones se pueden modificar fácilmente para adaptarse a requisitos específicos, como la reconstrucción de tejidos grandes o los estudios biológicos.
La ingeniería de tejidos vascularizados es uno de los principales retos de la ingeniería de tejidos20. Los métodos actuales para crear tejido vascular diseñado se centran en la creación de microvasculatura autoensamblada21,22,23 o en la fabricación de andamios vasculares a mesoescala24,25 y no en la recreación de un sistema de vasculatura jerárquica, que se puede perfundir inmediata y directamente después de la implantación26 . En este trabajo, describimos un protocolo que hace uso de dos modalidades de impresión 3D para fabricar una red jerárquica de vasos compuesta por vasculaturas a microescala y mesoescala. El protocolo combina una red microvascular bioimpresa en 3D y autoensamblada con un andamio vascular a mesoescala, logrando un colgajo implantable y vascularizado. Además, este trabajo presenta un protocolo para anastomosar directamente este colgajo a la arteria femoral de una rata.
La bioimpresión 3D ha ganado interés en los últimos años debido a su versatilidad sobre las técnicas tradicionales de ingeniería de tejidos. Si bien este protocolo describe la generación de una red microvascular en la biotinta rhCollMA, los métodos utilizados se pueden aplicar con pocas modificaciones a muchas otras biotintas de la plétora de biotintas estudiadas y novedosas y baños de soporte27,28. Elegimos usar rhCollMA como biotinta debido a la abundancia de colágeno tipo I en la ECM humana, proporcionando un ambiente adecuado para la unión celular. Además, se produce de forma recombinante en plantas y se modifica posteriormente con grupos metacrilato, lo que permite la fotopolimerización y la formación de hidrogeles 3D estables29,30. El fotocrosslinking se logró mediante la adición del fotoiniciador LAP, que ha demostrado no ser tóxico y se activa por exposición a luz azul de 405 nm, reduciendo la posible fototoxicidad de la luz UV. Sin embargo, el uso de biotintas fotosensibles requiere el uso de un medio de cultivo libre de rojo de fenol para la preparación de la biotinta y el material de soporte. Además, el protocolo describe el uso de material de soporte de gelatina, que permite la extrusión de alta fidelidad de biotintas como rhCollMA. Por lo tanto, es fundamental garantizar el uso de medio frío durante su preparación y el enfriamiento de la cama de la impresora. El calentamiento excesivo puede ocurrir debido a la fuente de luz utilizada para la reticulación o a temperaturas ambientales elevadas.
Aquí se ha utilizado una bioimpresora basada en extrusión para crear la red microvascular bioimpresa, y actualmente hay muchas bioimpresoras disponibles comercialmente que pueden generar construcciones similares. Además, los métodos propuestos pueden modificarse y aplicarse fácilmente para estudiar diferentes geometrías, tamaños y patrones de relleno. En este trabajo, se eligió un patrón de relleno rectilíneo para crear poros interconectados, y esto se puede imprimir con relativa rapidez con alta fidelidad.
Las burbujas de aire introducen un desafío significativo en la bioimpresión de extrusión, especialmente en el interior de materiales de soporte. Por lo tanto, es crucial minimizar la presencia y formación de estas burbujas mediante el uso de pipetas de desplazamiento positivo para la transferencia del material de soporte, la preparación de la suspensión de células de biotinta y su transferencia a los cartuchos de impresión.
En este trabajo, las células endoteliales derivadas de tejido adiposo humano y las células madre de la pulpa dental se utilizaron como células de soporte debido a su aislamiento relativamente fácil de los pacientes. Además, se eligió una concentración celular total de 8 x 106 células/ml ya que se ha demostrado que esta concentración establece las redes vasculares más desarrolladas16. Si bien este protocolo se puede emplear para generar microvasculatura utilizando diferentes tipos de células y fuentes, así como diferentes biotintas, se debe realizar una calibración de la concentración celular para establecer las mejores condiciones para el desarrollo de la red microvascular. Además, las células específicas del tejido (es decir, mioblastos u osteoblastos) se pueden incorporar dentro de la biotinta para lograr colgajos vascularizados específicos del tejido.
El molde para el andamio vascular poroso se fabricó utilizando material soluble en agua impreso en 3D en una impresora 3D de extrusión disponible comercialmente. Esto da como resultado una técnica rentable basada en plataformas de prototipado rápido, de modo que se pueden estudiar y examinar rápidamente muchas geometrías y tamaños diferentes de andamios vasculares31. Sin embargo, una limitación de este método es el límite de resolución de la mayoría de las impresoras 3D32. Sin embargo, con la rápida evolución de la industria que rodea a la fabricación aditiva, se espera que estos límites mejoren con el tiempo. El uso de disolventes orgánicos para el proceso de fabricación es otra limitación del protocolo, ya que la mayoría de los disolventes orgánicos son tóxicos para las células, lo que impide la capacidad de combinar el procedimiento de bioimpresión con el proceso de fabricación del andamio vascular.
El método descrito de sembrar la luz del andamio utilizando la aspiración en lugar de empujar la suspensión celular tiene efectos importantes en la localización de las células sembradas. El uso de presión negativa permite la endotelización de la luz interna del andamio al tiempo que minimiza cualquier derrame de la suspensión celular a través de las perforaciones en la pared del andamio16.
El método de “manguito” descrito para las anastomosis microquirúrgicas se puede modificar y adaptar fácilmente a diferentes materiales o tamaños de andamios vasculares, así como a diferentes arterias y venas en una amplia escala de modelos animales. Las adaptaciones al protocolo incluirían diferentes tamaños de tubos de poliimida y tamaños de sutura. Este método no requiere la perforación de la pared del andamio, lo que podría conducir al desarrollo de defectos. Este trabajo presenta un protocolo que se puede ampliar a muchas aplicaciones. Los aspectos críticos de este protocolo, que incluyen la fabricación de vasculaturas a meso y microescala y su ensamblaje e implantación, representan aspectos críticos de los colgajos diseñados tanto para aplicaciones reconstructivas, como para estudios de ingeniería vascular y otros tejidos.
The authors have nothing to disclose.
Este proyecto recibió financiación del Consejo Europeo de Investigación (CEI) en el marco del Programa de Investigación e Innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea (acuerdo de subvención n.º 818808). rhCollMA fue generosamente proporcionado por CollPlant (Rehovot, Israel). Los autores agradecen a la Autoridad de Investigación Preclínica del Technion por la asistencia con el cuidado de los animales, así como a Janette Zavin, Galia Ben David e 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 |