La necesidad crítica de la vascularización en la ingeniería de tejidos

La medicina regenerativa ha tratado de crear órganos totalmente funcionales en el laboratorio, pero un cuello persistente ha sido la ausencia de un suministro de sangre construido#8209. Sin redes microvasculares perfusibles, los tejidos diseñados no pueden sostener las demandas metabólicas de las células más allá de unos pocos cientos de micrometros. La difusión por sí sola no permite proporcionar suficiente oxígeno y nutrientes al núcleo de un constructo, lo que conduce a la muerte celular y la falta de injerc.

Las redes microvasculares son el sistema de entrega intrincado del cuerpo, compuesto de arterias, capilares y venules. Son responsables del intercambio de gas, el transporte de nutrientes, la eliminación de desechos y la vigilancia inmune. En los órganos naturales, estas redes están organizadas jerárquicamente y están diseñadas precisamente para satisfacer las necesidades metabólicas locales.

Biología de las redes microvasculares

Para construir redes microvasculares artificiales, primero se debe entender el plano biológico. Las cápsulas están alineadas por células endoteliales, que forman una barrera semi-conciliar#8209; una barrera impermeable que regula el transporte molecular. Estos tubos endoteliales se estabilizan por pericitos y células musculares lisas, que proporcionan soporte mecánico y responden a cues biomecánicas.

Los principales caminos de señalización rigen la creación y remodelación de microvessels. Factor de crecimiento endotelial vascular (VEGF) impulsa la angiogénesis, mientras que la angiopoietina crece#8209;1 promueve la maduración y estabilidad de los buques. Plaqueta límite#8209; factor de crecimiento demasiado avanzado (PDGF) recluta pericitos a vasos nascentes, y transformando factor de crecimiento temporal

La arquitectura física de la microvasculatura es igualmente importante. Los diámetros de los vasos oscilan entre 5 y 10 μm en capilares a 30–100 μm en arterias. Los patrones de ramificación siguen geometrías fractales que optimizan el flujo de fluidos y minimizan la resistencia. Las redes naturales también se adaptan a la tensión de de desgarro mediante vías de mechanotransducción, que ajustan el calibre de los buques y el espesor de la pared.

Principales desafíos en las redes de ingeniería perfusible

A pesar de los avances significativos, la creación de redes microvasculares funcionales en órganos diseñados sigue siendo desalentadora.

  • ] Formación y estabilidad de los buques: Las células endoteliales deben auto-correr#8209; montarse en tubos con polaridad adecuada y uniones estrechas. Sin apoyar las células murales, los vasos recién formados a menudo retroceden o se vuelven hiperpermeables.
  • Integración inigualable con el suministro de sangre de host: La innosculación —la conexión entre los vasos ingenieros y los buques anfitriones— debe ocurrir rápidamente para prevenir la isquemia.
  • ]Integro estructural durante el trasplante: Los vasos microscópicos son frágiles. La manipulación y manipulación quirúrgica pueden aplastarlos o desgarrarlos, lo que conduce a la hemorragia o o la oclusión.
  • Perfusión de color rojo y uniforme: El volumen de tejido entero debe alcanzarse en minutos de conexión para prevenir la muerte del núcleo. Esto exige una red jerárquica con vías de baja resistencia.
  • ]Scaling up to human comprimido#8209;sized organs: Mientras que un bloque de tejido de 1 cm3 puede ser vascularizado en un plato, el escalado a un hígado o riñón entero requiere millones de microcanales precisamente colocados.

Superando las limitaciones de la difusión

La limitación física fundamental es el límite de difusión de oxígeno en tejido, aproximadamente 100–200 μm. Sin una red vascular, las células más lejos que esa distancia de una fuente de nutrientes morirán. Construidos más gruesos que unos pocos cientos de micrones deben incorporar canales perfusibles. Intentores tempranos utilizados por los andamios porosos que se basaban en la circulación de los medios, pero que carecían de la célula #098209;

Gestión de la respuesta inmunitaria

Las células alogenéticas utilizadas en la formación de redes pueden provocar rechazo inmune. Incluso las células endoteliales autologosas pueden desencadenar inflamación si el material de andamio activa el sistema inmunitario innato. Los biomateriales deben diseñarse para minimizar las reacciones corporales extranjeras al promover la angiogénesis. Las coacciones con anti-conclusión#8209; moléculas inflamatorias o la incorporación de células T regulatorias están surgiendo estrategias para reducir el rechazo y apoyar la estabilidad del recipiente.

Técnicas avanzadas para la creación de redes

3D Bioprinting

Tres##8209; la bioimpresión dimensional ha surgido como una poderosa herramienta para la fabricación de redes vasculares. Usando bioinks compuestos de hidrogeles, células vivas y factores de crecimiento, los investigadores pueden imprimir canales sacrificiales que luego se llenan por células endoteliales.Un método común imprime una tinta fugitiva que se disuelve después de que el hidrogel grueso se arrastre, dejando atrás tubos um09 células pulidas

La bioimpresión coaxial utiliza una boquilla dentro de una boquilla para extrusionar un núcleo de unión#8209; filamento de la cáscara. El canal interior se convierte en el lumen; la cáscara exterior contiene un hidrogel cargado con células musculares lisas o pericitos. Esta técnica permite la impresión simultánea de células de endotelio y soporte, produciendo vasos con paredes bicapadas.

Microfabricación y Microfluidics

Las técnicas de microfabricación adaptadas de la industria semiconductora permiten la creación de redes de canales controlados con precisión en moldes de silicio, vidrio o polímero. Litografía suave con polidimetilxano (PDMS) se utiliza ampliamente para fabricar dispositivos microfluídicos con canales de hasta 1 μm. Estos dispositivos son excelentes para estudiar el flujo y el comportamiento celular pero son menos adecuados para implantar porque PDMS no es biodegradable.

Un avance notable es el uso de azúcar soluble o fibras gelatina como plantillas. Las fibras están incrustadas en una matriz de hidrogel y luego se disuelven, dejando canales interconectados. Las células endoteliales sembradas en estos canales se adhieren y forman revestimientos confluentes dentro de días. Esta técnica permite la creación de complejas, tres dimensiones de construcción#8209 con diámetros de 10 a 300 μm.

Vínculos descelularizados de la escala vascular

Una alternativa a la construcción de redes desde cero es utilizar la vasculatura natural de los órganos donantes. La descelularización elimina todo el material celular de un órgano animal o humano, preservando la matriz extracelular, incluyendo el árbol vascular intacto. El andamio resultante puede ser recelularizado con paciente de eliminación celular#8209; células endoteliales desactivadas. Este enfoque se ha aplicado con éxito a corazones enteros, hígados y la arquitectura inmunitaria que posteriormente se han reducido

La recelularización requiere infundir células endoteliales (a menudo a través de los vasos principales) bajo presión y flujo controlados. Las células deben ser distribuidas a todas las ramas, incluyendo los capilares más pequeños donde la resistencia es alta. Múltiples rondas de perfusión con suspensión celular, a veces combinadas con fuerzas magnéticas o centrífugas, mejorar la cobertura.

Self#8209;Assembly and Vasculogenesis

# En las condiciones adecuadas, las células endoteliales pueden autocorporarse#8209; organizarse en células capilares#8209; como redes a través de un proceso de mimicking vasculogénesis. Cuando se incrustan en un hidrogel con células de apoyo como fibroblastos o células madre mesenquimales, brotan, ramifican y forman lumenosos#8209;

Implante in vivo de tal auto-cliente#8209; redes assembledas ha demostrado que los vasos anfitriones invadirán y conectarán al plexo diseñado dentro de 1–2 semanas. Esta técnica se utiliza ahora para crear injertos de piel vascularizados y sustitutos de los huesos. Pero para órganos enteros, la velocidad lenta de la inosculación y la falta de control sobre topología de red siguen siendo barreras importantes.

Asegurar la integración con la circulación de host

Incluso la red microvascular más perfectamente construida es inútil si no puede anastomosa con el suministro de sangre del huésped. La anastomosis ocurre cuando las células endoteliales del implante y el host se ponen en contacto entre sí, forman uniones intercelulares y establecen lumen continuo. Este proceso es impulsado por brote angiogénico de ambos lados. Los estudios muestran que la anastomosis comienza en horas de implantación y se estabiliza en más de 3-7 días de espesor.

Varias estrategias aceleran la integración. Predicar#8203; la vascularización del constructo en un bioreactor antes del trasplante asegura que la red ya está forrada con células endoteliales y puede conectarse inmediatamente a los vasos anfitriones. Técnicas quirúrgicas como conectar la arteria principal y la vena del implante a la vasculatura del huésped (como un trasplante) proporcionan una perfusión inmediata, pero requieren que el implante contenga al menos un vaso grande que pueda ser suturado.

Otro reto es prevenir la trombosis. La superficie luminal de los vasos diseñados debe ser anticorriente#8209;trombógena, expresando moléculas como trombomodulina y sulfato de heparina. Canales de cocción con heparina o vertido con células endoteliales que producen óxido nítrico pueden reducir la formación de coágulos.

Los éxitos actuales y los obstáculos que se mantienen

El campo ha demostrado prueba#8209;of proporción#8209;concepto en varios modelos animales pequeños. Por ejemplo, parches cardíacos diseñados que contienen microvessels perfusibles se han implantado en corazones de ratas y demostrado integrar y mejorar la función después de infarto de miocardio. Asimismo, los constructos hepáticos vascularizados se han implantado como injertos auxiliares y soportan la supervivencia del hepatocito durante semanas.

Los principales obstáculos son la escala y durabilidad. Aunque es posible crear una red vascular que soporta un bloque de tejido de 1 cm3 en la cultura durante días, manteniendo la patencia durante meses en un entorno dinámico y fluído no se ha logrado. Las células endoteliales pueden dediferenciar o convertirse en senescente bajo constante estrés de la cizallería, y las células murales pueden desvincular.

Otra limitación es la falta de un sistema linfático. En los tejidos naturales, los capilares linfáticos drenan líquido intersticial y evitan el edema. Tejidos ingenieros que carecen de este sistema a menudo hinchan, comprimen los vasos y dificultan el flujo. Algunos grupos están trabajando ahora para incorporar factores linangiógenos o colateral#8209; cultivo de células endoteliales linfáticas, pero esto permanece en su infancia.

Future Directions

Bioreactores inteligentes para la maduración

Bioreactores que imitan el ambiente hemodinámico del cuerpo son críticos para las redes microvasculares de maduración. Flujo pulmonar, estiramiento cíclico y estrés de la tijera fisiológica (1-10 dyn/cm2) promueven la alineación endotelial y aumentan los genes mechanosensibles. Siguiente componente#8209; los bioreactores de generación incorporan sensores para medir el oxígeno, pH y la resistencia al flujo en tiempo real, permitiendo retroalimentación.

Medicamentos personalizados y fuentes celulares

Las células madre inducidas pluripotente (iPSCs) ofrecen un paciente cercano#8209; fuente celular específica para la construcción de redes vasculares. iPSC paciente#8209; células endoteliales y pericitos desactivados pueden ser expandidos en grandes cantidades y editados genéticamente para mejorar la estabilidad o la tolerancia inmunitaria. Sin embargo, los protocolos de diferenciación deben mejorarse para producir células que recapitulten los trasplantes cerebrales principales de pacientes específicos de .

Organ#8209;on múltiple#8209;a ventaja#8209;Chip Integration

Las redes microvasculares son integrales para organá#8209;on comprimido#8209;a curva#8209;chip dispositivos que modelan la fisiología humana para la prueba de drogas. Estos chips combinan canales microfluiÃ3dicos con células vivas para recrear la estructura y la función de órganos tales como el pulmón, el hígado y el riñón.

Aplicaciones más allá de la trasplante

Mientras que el objetivo final es fabricar trasplante#8209; órganos listos, redes microvasculares perfusibles ya tienen cerca de Ø8209; aplicaciones de plazo en el descubrimiento de drogas, toxicología y modelado de enfermedades. Por ejemplo, los modelos tumorales vascularizados permiten a los investigadores estudiar metástasis del cáncer y probar anticonceptivas#8209; terapias angiogénicas en un entorno controlado.

Estas plataformas también permiten la investigación de enfermedades vasculares como la aterosclerosis, la microangiopatía diabética y la hipertensión pulmonar. Al crear redes con paciente interno#8209; células endoteliales desactivadas, se pueden modelar predisposiciones genéticas y probar tratamientos personalizados. La industria farmacéutica está adoptando cada vez más órgano cercano#8209;onularidad esencial de microequipos para reducir la relevancia animal

Pruebas de detección y toxicidad de drogas

Actualmente, muchos fármacos fallan en ensayos clínicos debido a una toxicidad vascular inesperada o una mala distribución. Los chips de red microvascular permiten una imagen real de los efectos de los fármacos en la integridad de los buques, la perfusión y la función endotelial. Por ejemplo, la química que causa el síndrome de fuga capilar puede ser analizada en tales plataformas, identificando a los compuestos de riesgo tempranamente.

Comprender la angiogénesis y el desarrollo

Las redes microvasculares diseñadas también sirven como herramientas de investigación para estudiar biología fundamental. Al controlar con precisión los gradientes del factor de crecimiento, rigidez de matriz y flujo, los científicos pueden diseccionar los mecanismos de brote angiogénico, maduración de buques y regresión. Estas ideas se alimentan de la mejora de las estrategias de ingeniería de tejidos. Por ejemplo, el trabajo reciente ha demostrado que la formación de pericytes siente rigidez de matriz y ajusta su contractilidad, que influye en el diseño de red de los hallazgos.

Conclusión

El desarrollo de las redes microvasculares perfusibles en órganos diseñados representa una de las fronteras más excitantes de la medicina regenerativa. Durante la última década, los avances en la bioimpresión, microfabricación, descelularización y auto celular#8209; el avance de la aspersión de los órganos de prospección clínica, la integración de la misma vía de trasplantes de larga duración,

Para más información, considere estos recursos: los Institutos Nacionales de Salud ofrecen una visión general de ingeniería de la integridad y medicina regenerativa; se puede encontrar una revisión completa de las estrategias de vascularización en Revisiones de la naturaleza Materiales; se discuten detalles sobre la bioimpresión 3D de las redes vasculares en un [094]se