Tasarlanmış flepler, dahil edilmiş bir fonksiyonel vasküler ağ gerektirir. Bu protokolde, hiyerarşik vasküler ağ ve onun doğrudan mikrocerrahi anastomozlarını sıçan femoral arterine içeren 3D baskılı bir doku flebi üretme yöntemini sunuyoruz.
İmplante edilebilir, fonksiyonel, kalın dokuların mühendisliği, hiyerarşik bir vasküler ağ tasarlamayı gerektirir. 3D biyobaskı, yazdırılabilir biyomalzemelerin, biyomürekkeplerin ve hücrelerin katman katman üzerine düzenli ve otomatik bir şekilde eklenmesiyle doku oluşturmak için kullanılan ve geleneksel doku mühendisliği tekniklerinin elde edemeyeceği son derece karmaşık yapılar oluşturmaya izin veren bir teknolojidir. Bu nedenle, 3D biyobaskı, milimetrik damarlardan mikrovasküler ağlara kadar değişen doğal vaskülatür karmaşık yapısını taklit etmek için çekici bir in vitro yaklaşımdır.
Granüler hidrojellerde 3D biyobaskıdaki ilerlemeler, düşük viskoziteli hücre dışı matris bazlı biyomürekkeplerin yüksek çözünürlüklü ekstrüzyonunu mümkün kılmıştır. Bu çalışma, mühendislik ürünü vaskülarize doku kapaklarını imal etmek için birleşik bir 3D biyobaskı ve kurban kalıp tabanlı 3D baskı yaklaşımı sunmaktadır. Bir jelatin destek banyosu içinde rekombinant kollajen-metakrilat biyomürekkep kullanılarak endotel ve destek hücrelerinin 3D biyobaskısı, kendiliğinden monte edilmiş bir kılcal ağın üretimi için kullanılır. Bu baskılı mikrovaskülatür, mezoölçekli bir kap benzeri gözenekli iskele etrafında toplanır, kurbanlık bir 3D baskılı kalıp kullanılarak imal edilir ve endotel hücreleri ile tohumlanır.
Bu düzenek, mezoölçek damarının endotelini çevreleyen kılcal ağ ile anastomoza indükleyerek mühendislik doku flebi içinde hiyerarşik bir vasküler ağ oluşturur. Mühendislik flebi daha sonra cerrahi anastomoz ile doğrudan bir manşet tekniği kullanılarak bir sıçan femoral arterine implante edilir. Tarif edilen yöntemler, rekonstrüksiyon cerrahisi ve vaskülarizasyon çalışmalarında kullanılmak üzere çeşitli vaskülarize doku fleplerinin üretimi için genişletilebilir.
Ciddi doku defektlerine travmatik yaralanmalar, konjenital defektler veya hastalıklar neden olur ve bu defektlerin tedavisinde mevcut altın standart, otolog greftler, vaskülarize doku flepleri ve mikrovasküler serbest fleplerin doku ikamesi olarak kullanılmasıdır. Bununla birlikte, bu seçeneklerin sınırlı donör bölge dokusu ve donör bölge morbiditesi1’in dezavantajları vardır. Bu nedenle, bu kusurları düzeltmek için kullanılabilecek alternatif doku ikamelerine yönelik artan bir talep vardır2. Mühendislik doku yapılarının kalınlığı, besin maddelerinin ve gazların hücrelere doğru yayılmasıyla sınırlıdır ve bu nedenle, büyük, kalın ve uygun şekilde beslenmiş iskeleler üretmek için uygun bir vasküler ağ gereklidir.
Mühendislik implantlarının vaskülarizasyonunu teşvik etmek için, konakçıdan vasküler desteğin in vivo alımı, iskeleler içinde büyüme faktörlerinin ve sitokinlerin verilmesi, implantların prevaskülarizasyonu, mikrodesenleme teknikleri kullanılarak perfüze edilebilir dallanan bir mikrodamar yatağının oluşturulması4, vasküler kanal / ağ oluşumu için kurban malzemelerinin kullanımı dahil olmak üzere çeşitli yaklaşımlar uygulanmıştır 3, vasküler kanal / ağ oluşumu için kurban malzemelerinin kullanımı5 , ayrıca 3D biyobaskılı yapılar içinde kanalların oluşturulması 5,6. Kalın dokuların vaskülarizasyonu, makro ölçekli ve mikrokılcal ölçekli damarlardan oluşan hiyerarşik bir vasküler ağın dahil edilmesini gerektirir. Makro ölçekli damarlar kanı yapı boyunca etkili bir şekilde dağıtır ve konakçı kan damarları ile mikrocerrahi anastomozlara izin verirken, mikrokılcal ölçekli damarlar besin difüzyonuna izin verir.
Biyobaskı, geleneksel doku mühendisliği yöntemlerine göre sunduğu avantajlar nedeniyle son yıllarda büyük ilgi görmüştür. Dokular ve organlar, belirli bir mimariye sahip karmaşık ve karmaşık 3D nesnelerdir. 3D biyobaskı, biyomalzeme katmanlarını yüksek çözünürlükte biriktirme kabiliyeti ile, karmaşık doku ve organ ikameleri (örneğin, böbrek, akciğer, karaciğer) oluşturma yeteneğini sağlar7. Ekstrüzyon tabanlı, mürekkep püskürtmeli8, lazer destekli biriktirme9,10 ve stereolitografi tabanlı 11,12 biyobaskı dahil olmak üzere çeşitli baskı teknolojileri biyobaskı için uyarlanmıştır. Ekstrüzyon bazlı teknolojiler, nozulun karşısındaki malzeme dökme yüzeyine basınç uygulayarak malzemenin bir nozuldan ekstrüzyonuna dayanır.
Asılı hidrojellerin (FRESH) serbest formlu geri dönüşümlü gömülmesi, ekstrüde edilmiş malzemenin destek banyosu tarafından biriktirildiği ve yerine sabitlendiği granüler bir destek malzemesi kullanan bir biyobaskı tekniği 13,14’tür. Destek banyosu, ekstrüde edilmiş, önceden çapraz bağlanmış biyomürekkep için çapraz bağlanana kadar mekanik destek sağlar. Bu tekniğin temel avantajı, destek banyosunun, ekstrüzyondan sonra veçapraz bağlama 15’ten önce şekillerini koruyamayan düşük viskoziteli malzemelerin ekstrüzyonuna izin vermesidir. Bu, biyomürekkep olarak kullanılabilecek mevcut malzemelerin havuzunu genişletir.
Bu yazıda mikroskal ve mezoölçekli vaskülatürleri birleştiren vaskülarize flep üretimi için bir protokol sunulmaktadır. Bunu başarmak için, biyobaskılı, kendi kendine montajlı, mikrovasküler ağlar, rekombinant insan kollajen metakrilat (rhCollMA) hidrojelinde üretilir ve daha sonra daha büyük, implante edilebilir, vasküler bir iskelenin içine bağlanır ve tamamen tasarlanmış bir doku kapağı16 ile sonuçlanır. Mühendislik dokularının hızlı ve doğrudan perfüzyonunu sağlamak için, konakçı damarlara doğrudan mikrocerrahi bir anastomoz gereklidir. Vasküler iskele, geleneksel mikrocerrahi damar duvarı dikişi kullanılarak anastomoz edilmek için yeterli dikiş tutma gücüne sahip değildir. Bu nedenle, bir sıçanın ortak femoral arteri ile bir anastomoz elde etmek için bir “manşet”17,18,19 yöntemini tanımlamaktayız. Bu yöntemde, damar uçları, damar duvarını delmeye gerek kalmadan çevresel dikişlerle sabitlenir.
Önerilen protokol rhCollMA ortamında hiyerarşik vaskülatürü incelemek için hazırlanmış olmasına rağmen, bu yaklaşım genişletilebilir ve çeşitli yeni uygulamalara uygulanabilir. Protokol, farklı biyomürekkeplerde çeşitli dokuya özgü hücrelerin biyo-baskısına uygulanabilir. Ayrıca, yapıların geometrisi ve boyutu, büyük doku rekonstrüksiyonu veya biyolojik çalışmalar gibi belirli gereksinimlere uyacak şekilde kolayca değiştirilebilir.
Vaskülarize dokuların mühendisliği, doku mühendisliğinin ana zorluklarından biridir20. Mühendislik vasküler dokusu oluşturmak için mevcut yöntemler, kendinden montajlı mikrovaskülatür 21,22,23 oluşturmaya veya mezoölçekli vasküler iskeleler24,25 üretmeye odaklanır ve implantasyondan hemen sonra ve doğrudan perfüze edilebilen hiyerarşik vaskülatür sistemini yeniden yaratmaya odaklanmaz26 . Bu çalışmada, mikro ölçekli ve mezoölçekli vaskülatürlerden oluşan hiyerarşik bir damar ağı oluşturmak için iki 3D baskı yönteminden yararlanan bir protokolü açıklıyoruz. Protokol, 3D biyobaskılı, kendinden montajlı bir mikrovasküler ağı mezoölçekli bir vasküler iskele ile birleştirerek implante edilebilir, vaskülarize bir flep elde eder. Ayrıca, bu makale bu flebi bir sıçanın femoral arterine doğrudan anastomoz etmek için bir protokol sunmaktadır.
3D biyobaskı, geleneksel doku mühendisliği tekniklerine göre çok yönlülüğü nedeniyle son yıllarda ilgi kazanmıştır. Bu protokol, rhCollMA biyomüktüründe mikrovasküler bir ağın oluşumunu tanımlarken, kullanılan yöntemler, çalışılan ve yeni biyomürekkeplerin bolluğundan ve destek banyolarından27,28’den diğer birçok biyoinkte birkaç değişiklikle uygulanabilir. İnsan ECM’sindeki tip I kollajen bolluğu nedeniyle rhCollMA’yı biyomürekkep olarak kullanmayı seçtik ve hücre bağlanması için uygun bir ortam sağladık. Ayrıca, bitkilerde rekombinant olarak üretilir ve fotopolimerizasyona ve kararlı 3D hidrojellerin oluşumuna izin veren metakrilat grupları ile daha da modifiye edilir29,30. Fotoçapraz bağlama, toksik olmadığı gösterilen ve 405 nm mavi ışığa maruz kalarak aktive olan ve UV ışığının olası fototoksisitesini azaltan fotobaşlatıcı LAP’nin eklenmesiyle elde edildi. Bununla birlikte, ışığa duyarlı biyomürekkeplerin kullanımı, biyomürekkebin ve destek malzemesinin hazırlanması için fenol kırmızısı içermeyen bir kültür ortamının kullanılmasını gerektirir. Ayrıca, protokol, rhCollMA gibi biyomürekkeplerin yüksek doğrulukta ekstrüzyonunu sağlayan jelatin destek malzemesinin kullanımını açıklamaktadır. Bu nedenle, hazırlanması ve yazıcı yatağının soğutulması sırasında soğuk ortamın kullanılmasını sağlamak çok önemlidir. Çapraz bağlama için kullanılan ışık kaynağı veya yüksek ortam sıcaklıkları nedeniyle aşırı ısınma meydana gelebilir.
Burada biyobaskılı mikrovasküler ağı oluşturmak için ekstrüzyon tabanlı bir biyoyazıcı kullanılmıştır ve şu anda benzer yapılar üretebilen birçok ticari biyoyazıcı bulunmaktadır. Ayrıca, önerilen yöntemler farklı geometrileri, boyutları ve dolgu desenlerini incelemek için kolayca değiştirilebilir ve uygulanabilir. Bu çalışmada, birbirine bağlı gözenekler oluşturmak için doğrusal bir dolgu deseni seçildi ve bu, yüksek doğrulukla nispeten hızlı bir şekilde basılabilir.
Hava kabarcıkları, ekstrüzyon biyobaskısında, özellikle de destek malzemelerinin içinde önemli bir zorluk yaratmaktadır. Bu nedenle, destek malzemesinin transferi, biyomürekkep hücresi süspansiyonunun hazırlanması ve bunların yazıcı kartuşlarına aktarılması için pozitif yer değiştirmeli pipetler kullanarak bu kabarcıkların varlığını ve oluşumunu en aza indirmek çok önemlidir.
Bu çalışmada, insan adipoz kaynaklı endotel hücreleri ve diş pulpası kök hücreleri, hastalardan nispeten kolay izole edilmeleri nedeniyle destekleyici hücre olarak kullanılmıştır. Ayrıca, toplam 8 x 106 hücre / mL hücre konsantrasyonu seçilmiştir, çünkü bu konsantrasyonun en gelişmiş vasküler ağları oluşturduğu gösterilmiştir16. Bu protokol, farklı hücre tipleri ve kaynakları ile farklı biyomürekkepler kullanarak mikrovaskülatür üretmek için kullanılabilirken, mikrovasküler ağın gelişimi için en iyi koşulları oluşturmak için hücre konsantrasyonunun kalibrasyonu yapılmalıdır. Ayrıca, dokuya özgü hücreler (yani, miyoblastlar veya osteoblastlar), dokuya özgü vaskülarize flepler elde etmek için biyomürekkebe dahil edilebilir.
Gözenekli vasküler iskelenin kalıbı, ticari olarak temin edilebilen bir ekstrüzyon 3D yazıcıda 3D baskılı suda çözünür malzeme kullanılarak üretildi. Bu, hızlı prototipleme platformlarına dayanan uygun maliyetli bir teknikle sonuçlanır, böylece birçok farklı geometri ve boyuttaki vasküler iskeleler incelenebilir ve hızlı bir şekilde taranabilir31. Bununla birlikte, bu yöntemin bir sınırlaması, çoğu 3D yazıcının çözünürlük sınırıdır32. Bununla birlikte, eklemeli üretimi çevreleyen hızla gelişen endüstri ile birlikte, bu sınırların zamanla iyileşmesi beklenmektedir. İmalat işlemi için organik çözücülerin kullanılması, protokolün bir başka sınırlamasıdır, çünkü çoğu organik çözücü hücreler için toksiktir ve biyobaskı prosedürünü vasküler iskele üretim süreci ile birleştirme yeteneğini önler.
İskelenin lümenini, hücre süspansiyonunu itmek yerine aspirasyon kullanarak tohumlamanın tarif edilen yöntemi, tohumlanmış hücrelerin lokalizasyonu üzerinde büyük etkilere sahiptir. Negatif basınç kullanmak, iskelenin iç lümeninin endotelizasyonuna izin verirken, hücre süspansiyonunun iskelenin duvarındaki deliklerden dökülmesini en aza indirir16.
Mikrocerrahi anastomozlar için tarif edilen “manşet” yöntemi, farklı vasküler iskele materyallerine veya boyutlarına, ayrıca çok çeşitli hayvan modellerinde farklı arterlere ve damarlara kolayca değiştirilebilir ve uyarlanabilir. Protokole adaptasyonlar farklı poliimid tüp boyutlarını ve dikiş boyutlarını içerecektir. Bu yöntem, kusurların gelişmesine yol açabilecek iskele duvarının delinmesini gerektirmez. Bu çalışma, birçok uygulamaya genişletilebilen bir protokol sunar. Mezo ve mikro ölçekli vaskülatürlerin imalatı ile bunların montajı ve implantasyonunu içeren bu protokolün kritik yönleri, hem rekonstrüktif uygulamalar hem de vasküler ve diğer doku mühendisliği çalışmaları için mühendislik fleplerinin kritik yönlerini temsil etmektedir.
The authors have nothing to disclose.
Bu proje, Avrupa Birliği’nin Horizon 2020 Araştırma ve İnovasyon Programı (hibe anlaşması no. 818808) kapsamında Avrupa Araştırma Konseyi’nden (ERC) finansman almıştır. rhCollMA, CollPlant (Rehovot, İsrail) tarafından cömertçe sağlanmıştır. Yazarlar, hayvan bakımı konusundaki yardımları için Technion’un Klinik Öncesi Araştırma Otoritesi’ne, Janette Zavin, Galia Ben David ve Idan Redenski’ye teşekkür ediyor.
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 |