פרוטוקול זה מציג את ההתקנה והתפעול של ביוריאקטור מודפס תלת-ממדי שפותח לאחרונה עבור תרבית ex vivo של כלי דם בזילוח. המערכת תוכננה להיות מאומצת בקלות על ידי משתמשים אחרים, מעשית, במחיר סביר וניתנת להתאמה ליישומים ניסיוניים שונים, כגון ביולוגיה בסיסית ומחקרים פרמקולוגיים.
מחלות כלי דם מהוות את הבסיס לרוב מחלות הלב וכלי הדם (CVD), אשר נותרו הגורם העיקרי לתמותה ותחלואה ברחבי העולם. יש צורך דחוף בהתערבויות כירורגיות ופרמקולוגיות יעילות למניעה וטיפול במחלות כלי דם. בין השאר, המחסור במודלים תרגומיים מגביל את הבנת התהליכים התאיים והמולקולריים המעורבים במחלות כלי דם. ביוריאקטורים של תרביות זילוח Ex vivo מספקים פלטפורמה אידיאלית לחקר כלי דם גדולים של בעלי חיים (כולל בני אדם) בסביבה דינמית מבוקרת, המשלבים את הקלות של תרבית חוץ גופית ואת המורכבות של הרקמה החיה. עם זאת, רוב הביוריאקטורים מיוצרים בהתאמה אישית ולכן קשה לאמץ אותם, מה שמגביל את יכולת השחזור של התוצאות. מאמר זה מציג מערכת מודפסת בתלת ממד שניתן לייצר וליישם בקלות בכל מעבדה ביולוגית, ומספק פרוטוקול מפורט להקמתה, המאפשר את פעולת המשתמשים. מערכת תרבית זילוח ex vivo חדשנית וניתנת לשחזור מאפשרת תרבית של כלי דם עד 7 ימים בתנאים פיזיולוגיים. אנו מצפים כי אימוץ ביוריאקטור זילוח סטנדרטי יתמוך בהבנה טובה יותר של תהליכים פיזיולוגיים ופתולוגיים בכלי דם גדולים של בעלי חיים ויאיץ את הגילוי של טיפולים חדשים.
דופן כלי הדם קיימת במצב יציב תגובתי, המבטיח הן תגובה לגירויים חיצוניים (כלומר, שינוי לחץ, מכווצי כלי דם) והן משטח עקבי שאינו מפעיל המונע קרישת דם וחדירת תאים דלקתיים1. בתגובה לגירויים תלויי הזדקנות ואורח חיים ועל נזק ישיר, דופן כלי הדם מפעילה תהליכי עיצוב מחדש כגון רסטנוזיס וטרשת עורקים, אשר ידועים כתורמים למחלות לב וכלי דם נפוצות (CVD), כגון שבץ איסכמי ואוטם שריר הלב2. בעוד גישות התערבותיות כגון revascularisation מלעורית stenting זמינים כדי להתמודד עם ביטויים מתקדמים של מחלות כלי דם, אלה ידועים לעורר נזק נוסף כלי הדם, לעתים קרובות המוביל להישנות. בנוסף, קיימים רק פתרונות מניעה ושלבים מוקדמים מוגבלים. הבנת המנגנונים השומרים על הומאוסטזיס דופן כלי הדם ומניעים את תפקודו הלקוי נמצאת בלב פיתוח תרופות חדשות3.
למרות ההתפתחות וההתקדמות המתמדת בביולוגיה מולקולרית ובהנדסת רקמות, מחקרים בבעלי חיים נותרו מרכיב מכריע במחקרים בביולוגיה של כלי הדם. מחקרי In vivo בבעלי חיים סיפקו תובנה עצומה לגבי המנגנונים של הומאוסטזיס כלי דם ופתולוגיה; עם זאת, הליכים אלה יקרים, בעלי תפוקה נמוכה יחסית, ומציבים בעיות אתיות מהותיות. בנוסף, בעלי חיים קטנים אינם מייצגים כראוי את הפיזיולוגיה של כלי הדם האנושיים, וניסויים גדולים יותר בבעלי חיים יקרים בהרבה ויוצרים שיקולים אתיים נוספים 4,5. עם הביקוש הגובר לפתרונות פרמצבטיים ורפואיים עבור אוכלוסייה המזדקנת במהירות, החסרונות של שימוש בבעלי חיים גדלים, ומשפיעים על יכולת השחזור, האמינות ויכולת ההעברה של התוצאות לטיפול בחולים6.
מערכות במבחנה מציעות פלטפורמה פשוטה לחקר מנגנונים בסיסיים, אך אינן מצליחות לשחזר את מורכבות הרקמה כולה, את יחסי הגומלין בין התאים למטריצה החוץ תאית ואת הכוחות המכניים, שהם גורמים קריטיים בהתפתחות מחלות כלי דם7.
מחקרי Ex vivo המבוצעים על רקמות שלמות המתוחזקות בסביבות מבוקרות באופן מלאכותי מחקים את מורכבות in vivo תוך שהם מאפשרים חקירות בעלות תפוקה גבוהה יחסית8. בהינתן היכולת לשלוט מקרוב בתנאי התרבות והסביבה, מודלים של ex vivo מאפשרים מגוון רחב של מחקרים מורכבים ומספקים חלופה הולמת להפחתת השימוש בפרוצדורות של בעלי חיים בביולוגיה של כלי הדם. תרביות טבעתיות כלי דם סטטיות הציעו תובנות מעניינות אך לא הצליחו לשלב את היסוד ההמודינמיהמכריע 9. ואכן, חקר מערכת כלי הדם ex vivo מציב אתגרים ספציפיים הקשורים לכוחות הדינמיים הרבים החלים על התאים בתוך דופן כלי הדם. גירויים כגון זרימה לומינלית, מערבולות, לחץ גזירה, לחץ ועיוות דופן משפיעים באופן משמעותי על פתופיזיולוגיה של רקמות10,11,12.
ביוריאקטורים של זילוח חיוניים לחקר הומאוסטזיס וסקולרי ולעיצוב מחדש בתגובה לפציעה או לשינויים המודינמיים13. יתר על כן, תרבית זילוח יכולה לשמש לשיפור ההבשלה והעמידות של כלי דם מהונדסים רקמות (TEBVs), מתן חלופות מתאימות להשתלות כלי דם14.
ביוריאקטורים של זילוח הזמינים מסחרית מוגבלים בגמישות וביכולת הסתגלות ויקרים. במקום זאת, רבים מהביוריאקטורים הקיימים שפותחו בתוך החברה קשים לשכפול במעבדות אחרות, בשל התיאורים המוגבלים וחוסר הזמינות של רכיבים שיוצרו במיוחד 7,8,9,10,11,12. כדי להתגבר על מגבלות אלה, פיתחנו לאחרונה ביוריאקטור חדש (EasyFlow), חסכוני לייצור, מתאים למגוון רקמות, ומאפשר שינויים פשוטים יחסית כדי להתאים לדרישות מחקר שונות13. העלון מודפס בתלת-ממד ומתאים כמו במכסה של צינור צנטריפוגה סטנדרטי של 50 מ”ל. העיצוב המודולרי שלה וייצור ההדפסה בתלת-ממד הופכים אותה לנגישה וניתנת לשכפול במעבדות שונות, כמו גם ניתנת לשינוי בקלות כדי להתאים לצרכים מדעיים שונים. פרוטוקול זה מתאר את ההרכבה והפעולה הבסיסית של מערכת הביוריאקטור בסביבת זילוח עורקי.
מערכות זילוח כלי דם Ex vivo מהוות פלטפורמה ייחודית לחקר תפקודם והתנהגותם של תאי כלי הדם ברקמות הטבעיות שלהם בתנאים מבוקרים, המאפשרת דיסקציה של תהליכים מורכבים כגון עיצוב מחדש של כלי דם לאחר פציעה22. עם זאת, רוב הביוריאקטורים המדווחים הם מערכות מתוצרת פנימית המבוססות על רכיבים בהתאמה אישית, ולעתים קרובות קשה לשכפל אותם על ידי אחרים23. קיימים פתרונות מסחריים חלופיים, אך חסרים גמישות בתכנון ויכולים להיות יקרים יחסית24.
פיתחנו מערכת חלופית המספקת פלטפורמה קלה, זולה וניתנת לשכפול שניתן לייצר באמצעות טכניקות הדפסה תלת ממדית בקוד פתוח13. המאמר הנוכחי מתאר את הגדרת המערכת כדי לאפשר יישומים הניתנים לשחזור על-ידי משתמשי קצה. מערך זה מאפשר הפעלת מצבים פיזיולוגיים ופתולוגיים של לחץ (40-180 מ”מ כספית), קצב זרימה (6-30 מ”ל/דקה), ובשילוב עם מדיה המחקה את צמיגות הדם, בדרגות שונות של לחץ גזירה.
שחזור הוא היבט חיוני של התהליך המדעי, שכן הוא מאפשר לחוקרים לאמת את הממצאים של אחרים ולבנות עליהם כדי לקדם את הבנתנו של מחלות כלי דם. כמו כן, כלים המאפשרים ומקדמים שיתופי פעולה בין קבוצות חיוניים לקידום הידע המדעי. EasyFlow מייצגת דוגמה לפתרונות קוד פתוח ונגישים כאלה, שניתן לייצר ולאמץ בקלות על ידי מעבדות העובדות על מגוון רחב של פרויקטים בתחום מדעי כלי הדם ומעבר לו.
אנו מדווחים כי תרבית מכשיר זו שומרת על כדאיות רקמת העורקים למשך 7 ימים לפחות, וניתן להשתמש בה כדי למדל שלבים ספציפיים של מחלת כלי דם. באמצעות זה ניתן למדל קצבי זרימה פיזיולוגיים ותנאי לחץ13. חשוב לציין, תרבות זילוח זו היא חסכונית בשל עלויות הייצור הנמוכות ונפח התווך הנמוך הדרוש להפעלת המערכת.
ניתן להתאים את העיצוב התלת-ממדי גם ליישומים חדשים, וניתן לבדוק חומרים חדשים להדפסה. גם במתכונתו הנוכחית, ניתן להתאים בקלות את חלל הלינה לדוגמה לדוגמאות בגדלים שונים על ידי שינוי אורך האביזרים או משעמם מחברי הלואר. חשוב לציין שבהתחשב באופי המודולרי של המכשיר ובממדים הקטנים שלו, ניתן להשתמש בביוריאקטור הזה בכמה תצורות (איור 5) וניתן ליישם אותו על תרביות מולטיפלקס, שבהן מספר דגימות יכולות להיחשף לתנאים שונים בו זמנית בביוריאקטורים נפרדים.
על פי החזון, השימוש במערכת יורחב בעתיד כדי לתמוך בתרבית של כלי דם ממקורות שונים (למשל, מינים שונים) ומבעלי אופי שונה (למשל, ורידים, לימפה), ואולי ליישם אותו על תרבית של רקמות חלולות אחרות (למשל, קנה הנשימה, המעי). בפרט, מחקרים מראים כי תרבית פיגומים מהונדסים רקמה בזילוח קבוע מסייעת להתפלגות הומוגנית של תאים בתוך המבנה וההבשלה של הרקמה המתקבלת25,26. בנוסף, זריעת שתלי כלי דם בזילוח תורמת להשגת לומן כלי דם אחיד יותר, בהשוואה לשיטות סטטיות27. מסיבה זו, אנו רואים את המערכת מיושמת בהנדסת רקמות כדי לסייע בהתמודדות עם האתגרים הנוכחיים, ולאפשר פיתוח עתידי של תחליפי כלי דם סינתטיים הניתנים לשחזור28.
הפרוטוקול המתואר כאן מציג כמה צעדים חשובים קריטיים להצלחת תרבות הזרימה. קביעת תנאי זרימה מתאימים ומעקב אחריהם אינם דבר של מה בכך ויש לבצע אותם בכל מערכת בעת הקמתה לראשונה, כדי לוודא שתנאי התרבית הם פיזיולוגיים. הזרימה והלחץ נוטרו באמצעות חיישני לחץ והדמיית אולטרסאונד. נקודה קריטית נוספת היא לוודא שהרקמה בת קיימא ושלמה בתחילת התרבית. זה דורש מקור חדש, טיפול זהיר וניתן לאמת על ידי ניתוח היסטולוגי. בנוסף, יש לבצע פתרון בעיות בתחילת כל ניסוי כדי לזהות כל זיהום חיידקי פוטנציאלי או מקור דליפת מדיה.
חשוב להדגיש כי מערכת הזילוח המתוארת, תוך מתן לחץ פיזיולוגי ותנאי זרימה, אינה מסוגלת לחקות לחלוטין את דפוסי גלי הלחץ המורכבים שנרשמו in vivo. מגבלה זו ניתנת לייחוס לשימוש במשאבה פריסטלטית וניתן לפתור אותה באמצעות ציוד מיוחד יותר לשחזור תנאים המודינמיים מתקדמים. תרבית כלי הדם בביוריאקטור גם אינה מסוגלת להתייחס למחקרים שבהם מערכת החיסון או האינטראקציה עם איברים אחרים היא קריטית.
לסיכום, מוצגת מערכת זילוח פשוטה המודפסת בתלת ממד המסוגלת לחקות את הסביבה ההמודינמית הפיזיולוגית, אשר צפויה לתרום לסטנדרטיזציה של תרביות כלי דם ex vivo . הפוטנציאל שלו להתאמה אישית ויישום בתרבות ארוכת טווח הופך אותו לכלי חיוני לקידום ההבנה של מערכות ביולוגיות מורכבות אלה בפיזיולוגיה ובמצבים פתולוגיים.
The authors have nothing to disclose.
המחברים מבקשים להודות למרכז לפתולוגיה וטרינרית בבית הספר לרפואה וטרינרית באוניברסיטת סארי על שירותי ההיסטולוגיה. אנו מודים גם לד”ר ל. דיקסון, א. רייס ומ. הנסטוק ממכון פירברייט (פירברייט, בריטניה) על תמיכתם ברכישת רקמות בעלי החיים, ולמחלקה למדעים ביוכימיים באוניברסיטת סארי, במיוחד לצוות הטכני, על תמיכתם המתמשכת. RSM נתמך על ידי פרס הסטודנטים של מכללת הדוקטורט (אוניברסיטת סארי), DM ו- PC נתמכו על ידי המרכז הלאומי להחלפה, עידון והפחתה של בעלי חיים במחקר (מספרי מענקים: NC / R001006 / 1 ו- NC / T001216 / 1).
EasyFlow | – | – | 3D printed by MultiJet Fusion by Protolabs |
PA12 – 3D printing | Protolabs | – | – |
Peristaltic pump | Heidolph | PD5201 | |
Culture media components: | |||
Amphotericin B solution, 250 mug/mL in deionized water | Sigma-Aldrich | A2942-20ML | |
Dextran from Leuconostoc spp. | Sigma-Aldrich | D8802-25ML | |
Dulbecco's Modified Eagle's Medium – high glucose, w/ 4500 mg/L glucose, L-glutamine, sodium pyruvate, and sodium bicarbonate | Sigma-Aldrich | D6429-6X500ML | |
Fetal Bovine Serum | Sigma-Aldrich | F9665 | |
Penicillin-Streptomycin | Sigma-Aldrich | P4333-100ML | |
Immunostaining materials: | |||
Cryostat | LEICA | CM3050 S | |
DAPI | Sigma-Aldrich | D9542-10MG | |
Goat serum | Sigma-Aldrich | G9023-10ML | |
Goat α-Rabbit Alexa Fluor 488 | Thermo Fisher Scientific | A11008 | |
Invitrogen eBioscience Fluoromount G | Thermo Fisher Scientific | 50-187-88 | |
MX35 Premier + Microtome Blade | Thermo Scientific | 3052835 | |
Optimal Cooling Tempearure Compound – OCT | Agar Scientific | AGR1180 | |
Rabbit α-CD31 antibody | Abcam | ab28364 | |
Sudan Black B | Santa Cruz Biotechnology | SC-203760 | |
X72 SuperFrost Plus Adhesion slide, 25x75x1mm, White, 90° Ground Edges, Frosted Area 20mm, 72/box | Fisher Scientific | J1800AMNZ | |
α-Smooth Muscle Actin (SMA) Alexa Fluor® 647-conjugated antibody | R&D Systems | IC1420R | |
Material for laser cutting of components: | |||
Clear Plastic Sheet, 1250 mm x 610 mm x 1 mm (for laser cutting of washers) | RS Components | 258-6590 | |
RS PRO Translucent Rubber Sponge Sheet, 600 mm x 600 mm x 1.5 mm (for laser cutting of silicone seals) | RS Components | 840-5541 | |
Optional pressure monitors: | |||
Pressure sensor | Parker Hannifin | 080-699PSX-3P-5 | |
SciPres Pressure Monitor | Parker Hannifin | 206-200-M | |
Pre-sterilized single use plasticware: | |||
0.2 um filter | Sarstedt | 70.1114.210 | |
20 mL Sterile syringe | IMS Euro | 40004 | |
50 mL Centrifuge Tube | Thermo Fisher Scientific | Sarstedt – 62.547.254 | |
Small components: | |||
Cable ties | – | – | |
Masterflex Adapter Fittings, Female Luer to Hose Barb | Cole-Parmer | WZ-30800-10 | Barb Adaptor |
Masterflex Polycarbonate Luer Fittings | Cole-Parmer | AU-45504-84 | |
Nylon Miniature Check Valve | Cole-Parmer | 98553-00 | |
RS PRO Translucent Rubber Sponge Sheet, 600 mm x 600 mm x 1.5 mm (for laser cutting of silicone seals) | RS Components | 840-5541 | |
Stainless Steel M2 Hex Nuts | RS Components | 527-218 | |
Stainless Steel M2 x 6 mm Screws | RS Components | 418-7426 | |
Stainless Steel M5 Hex Nuts | RS Components | 189-585 | |
Surgical vessel loop | Vascular Silicone Ties,International Medical Supplies | 10-1003 | |
Three-way valves | IMS Euro | 91000 | |
Surgical Equipment | |||
Anatomical Forceps, GRAEFE, Curved, 10 cm SKU: BD-07 | International Medical Supplies | SKU: BD-07 | |
Micro Forceps, Angled, 0.3 mm, 11 cm | International Medical Supplies | SKU: BD-361 | |
Micro Scissors Noyes, Curved, 12 cm | International Medical Supplies | SKU: FD-12 | |
Troge Surgical Scalpels – Size 23 – Box of 100 | International Medical Supplies | 63114 | |
Tubing: | |||
Eppendorf silicone tubing (I.D.1.6 mm, O.D.4.7 mm) | Eppendorf | M0740-2396 | System tubing |
Masterflex PharMed BPT 3-Stop Tubing | ISMATEC | 95714-48 | Soft wall tubing (for clamp) |
RS PRO Transparent Hose Pipe, 0.8 mm ID, Silicone | RS Components | 667-8432 | Resistance tubing (small inner diameter) |
Tygon for food (I.D. 4.8 mm, W.T. 1.6 mm) | Heidolph | 525-30027-00-0 | One way valve tube |
Verderflex Yellow Hose Pipe, 6.4 mm ID, Verderprene | RS Components | 125-4042 | Pump Tubing |