Introducción

Los resultados de la ingeniería vascular son el resultado de la investigación de los tejidos y las arterias y las venas dañadas. Un reto central es diseñar andamios que no sólo proporcionan soporte estructural sino también guiar activamente el comportamiento celular para regenerar un vaso funcional. Mientras que la atención se ha centrado en las células bioquímicas, la arquitectura física del andamio, su topografía, juega un papel igualmente crucial.

¿Qué es la topografía de andamio?

La topografía de la capa de acoplamiento de la capa de acoplamiento de la superficie física de una biomaterial a escalas largas de decenas de nanometros a varios micrometros. Las características topográficas clave incluyen crestas, ranuras, agujeros, poros, pilares, fibras y rugosidad superficial al azar o ordenada. En tejidos nativos, las células vasculares residen en la membrana del sótano y en la matriz extracelular (ECM), que presenta un complejo paisaje subtípico.

Las características de microescala (1–100 μm) son comparables a las dimensiones celulares y afectan principalmente la forma y orientación celular. Las características de Nanoscale (1–1000 nm) interactúan con los grupos de receptores, integrinos y adhesiones focales, afectando las vías de señalización intracelular. Una combinación de ambas escalas produce a menudo las respuestas celulares más favorables.

Mecanismos de influencia topográfico

Las células sienten y responden a las características topográficas a través de un proceso denominado guía de contacto. La membrana celular y los receptores integrinos sondean la superficie, y las cues topográficos alteran el agrupamiento integrino, el montaje de adherencia focal y la tensión citoesquelética. Estos eventos desencadenan caminos de mechanotransducción que regulan la expresión génica y la función celular.

Adhesión y adherencia focal de Integrin-Mediated Kinase Signaling

Cuando las células encuentran características topográficas, los receptores integrinos se unen a las proteínas ECM adsorbidas en la superficie de andamio. La distribución espacial de estos sitios de unión está influenciada por la topografía. Por ejemplo, los nanogrooves pueden forzar los integrinos en los arrays lineales, promoviendo las adhesiones focales alargadas que se alinean a lo largo de la dirección de la proliferación.

Remodelación de citoesquelética y forma de células

El citosqueleto de la célula, particularmente filamentos de actina y microtubulos, reorganiza en respuesta a limitaciones topográficas. Sobre los andamios fibrosos alineados, células musculares suaves transición de un fenotipo sintético proliferativo a un fenotipo contreil, quiescente, que es deseable para injertos vasculares.

Deformación nuclear y expresión genética

Estudios recientes muestran que los cues topográficos pueden influir directamente en el núcleo. Los surcos estrechos o pequeños poros pueden deformar el sobre nuclear, alterando la organización de cromatina y la accesibilidad del factor de transcripción. Esta mechanotransducción nuclear proporciona un vínculo directo entre las cues físicas externas y los cambios en la expresión de genes relacionados con el ciclo celular, la diferenciación y la inflamación.

Efectos sobre el comportamiento de células vasculares

Los diferentes tipos de células vasculares responden de forma única a los cues topográficos. Entender estas respuestas específicas de las células es crucial para diseñar andamios que recapitulen la arquitectura estratada de un vaso sanguíneo.

Células endoteliales

Las células endoteliales (EC) alinean la superficie interior de los vasos sanguíneos y forman una barrera selectiva. En los andamios destinados a injertos vasculares, la cobertura EC rápida y organizada es esencial para prevenir la trombosis e hiperplasia intimal. La topografía influye fuertemente en la alineación, migración, proliferación y formación de la unión CE.

  • ]Alineación: Las topografías anisotrópicas como los surcos paralelos o las fibras alineadas inducen la elongación y alineación de las CE en la dirección de las características. Esta alineación imita la orientación natural de las CE en las arterias, donde están sujetas a estrés de la tijera de fluidos. Estudios han demostrado que las CE alineadas expresan niveles más altos de proteínas junccional como la función de la barrera de la cual
  • Migración:] La migración de las CEs se guía por patrones topográficos. Las grutas con profundidades a escala micrométrica promueven una curación más rápida de heridas en vitro en comparación con superficies planas. El efecto se atribuye a la concentración de adherencia focal polarizada y la activación localizada del Rac1.
  • Proliferación:] Las tasas de proliferación varían según el tamaño de las características. Por ejemplo, las gradas de submicro pueden aumentar la proliferación de las CE en comparación con las superficies planarias, mientras que el trastorno de nanoescala puede reducir la proliferación.
  • Potencia angiogénica: Las topografías específicas, como microcolumnas ordenadas o fosos nanoescala, pueden estimular la formación de tubos EC y brotar en ausencia de factores de crecimiento exógenos, mediante la activación de la señalización de integrinos αVβ3 y receptores VEGF 2.

Células de músculo de la espuma

Las células musculares de la espuma (SMC) en la capa medial de las arterias presentan un fenotipo contráctil y se alinean circunferencialmente. En la ingeniería de tejido vascular, los SMC deben ser guiados para formar una capa densa y organizada para proporcionar resistencia mecánica y regular el diámetro de los vasos.

  • Modulación del parhenotipo: En microfibras alineadas o microgrooves, los SMC adoptan una morfología alargada en forma de husillo y expresan altos niveles de marcadores contrámicos (por ejemplo, cadena pesada de miosina muscular lisa, calponina). En contraste, en superficies aleatorias o planas, los SMC tienden a cambiar a una hiperplasia sintética, prolifera.
  • Orientación: La orientación de los SMCs se determina por la topografía subyacente. Para los injertos vasculares, se prefiere la alineación circunferencial. Los andamios electrospun con fibras alineadas producen alineación SMC a lo largo de la dirección de la fibra. Si las fibras están orientadas circunferencialmente en el andamio, los SMC imitarán la arquitectura nativa.
  • Síntesis de la ECM: La topografía afecta la producción y organización de la ECM por parte de los SMC. En topografías alineadas, los SMC depositan colágeno y elastina de forma preferente a lo largo de la dirección de alineación, dando lugar a una matriz más organizada y mecánicamente robusta.

Macrofages y células inflamatorias

La respuesta inflamatoria hostal a la topografía escaffold puede influir en la integración vascular. La polarización de macrofágono se modula por características superficiales. Por ejemplo, las superficies con microgrooves de ancho de 10-20 μm promueven un fenotipo M2 antiinflamatorio, mientras que la rugosidad aleatoria puede fomentar una respuesta pro-inflamatoria M1.

Impacto en la formación de angiogénesis y vasos sanguíneos

La angiogénesis —el brote de nuevos capilares de los vasos existentes— es fundamental para la regeneración de tejidos y la supervivencia de tejidos de ingeniería gruesa. La topografía escapulosa puede promover o inhibir la angiogénesis dependiendo del diseño.

Promoción de la endotelial

La nanotopografía que imita el ambiente fibrilar del ECM puede estimular la formación y el brote de células de punta endotelial. Por ejemplo, los nanopillares y los nanogridos aumentan la extensión de filopodia y el agrupamiento de integrinos en las células de punta endotelial, mejorando su capacidad para invadir el andamio.

Formación de redes vasculares

Para formar una red vascular funcional, se deben coordinar múltiples tipos de células. Los andamios con una combinación de microgrooves y nanopores pueden guiar tanto a las CE como a las CAM en estructuras tubulares organizadas. Los experimentos de la co-cultura revelan que los CMC alineados en las características topográficas producen señales paracrinas que estabilizan los tubos de las CE, reduciendo la regresión.

Función de la geometría de la característica y el espaciamiento

El ancho de la capa es óptimo cuando los tamaños de los poros van de 30 a 150 μm, y la interconexión es alta. Sin embargo, los patrones topográficos en las paredes de los poros también importan. Las grutas y las crestas dentro de los poros pueden dirigir la orientación de los vasos de brote. Estudios de la cintura demuestran que las superficies luminales con nanofeatures alineadas circunferencial reducengénica y acelera la superficie de la tor y la superficie de la superficie

Consideraciones de diseño para la topografía de andamios

El diseño eficaz de andamios para aplicaciones vasculares requiere una selección cuidadosa de parámetros topográficos. Los factores clave incluyen el tamaño de la característica, la forma, la organización espacial, la química superficial y las propiedades mecánicas.

Tamaño de la característica y Escala

Las características del rango de nanometros (10–500 nm) interactúan directamente con los integrinos y afectan a los eventos de adherencia temprana. Las características micrometro (1–100 μm) influencian la forma y alineación de las células. Las estructuras jerárquicas que combinan ambas escalas son a menudo beneficiosas. Por ejemplo, los andamios electrospun con fibras alineadas (micrómetro) y nanoroughness de superficie (50–200 nm) promuevenm.

Tipo de patrón

Los patrones anisotrópicos (grandes, grapas, fibras alineadas) producen orientación de contacto y son preferidos por crear capas de células orientadas. Los patrones isotrópicos (pitas, pilares, rugosidad aleatoria) son útiles para promover la adherencia celular y la propagación en tres dimensiones. Los patrones híbridos pueden utilizarse para zonas específicas del andamio: una superficie luminal con nanogrooves alineados para alineación EC y una capa exterior con la integración aleatoria con hostos.

Asignación espacial y múltiples capas

Los vasos sanguíneos naturales tienen una estructura compleja con diferentes topografías en cada capa. Para los injertos tejidos-ingenieros, los investigadores están explorando los andamios bicapados o tricapados donde cada capa tiene un patrón topográfico distinto. Por ejemplo, un andamio bicapa puede tener una capa interna con microgroovos alineados circunferencialmente para los CMC y una capa externa con fibras longitudintiales alineadas para fibroblas

Propiedades materiales

El módulo de Young y la energía superficial de la influencia material respuesta celular a la topografía. Los materiales de diferencia (por ejemplo, ácido polilactico, policaprolactona) pueden mantener características topográficas finas pero pueden inducir una respuesta corporal extranjera. Materiales más suaves (por ejemplo, gelatina, ácido hialurónico) son más compatibles pero pueden degradarse rápidamente.

Tasa de degradación y estabilidad

Las características topográficas deben persistir lo suficiente como para guiar la formación de tejidos. Los polímeros degradables deben ser seleccionados para que el andamio retenga su topografía deseada durante las primeras semanas, luego reordena como nuevo tejido lo reemplaza. Para injertos vasculares, la degradación lenta durante 6-12 meses es típica.

Investigaciones actuales y futuras direcciones

Los avances en la tecnología de fabricación permiten topografías cada vez más sofisticadas. Los enfoques de próxima generación incluyen superficies dinámicas que cambian la topografía en respuesta a la actividad celular o estímulos externos, y la integración de gradientes topográficas y bioquímicos.

Topografía dinámica y andamios inteligentes

Los polímeros e hidrogeles de fusión de forma pueden cambiar entre estados topográficos cuando se activan por temperatura, pH o actividad enzimática. Por ejemplo, un andamio podría presentar inicialmente una superficie plana para facilitar la siembra de células, luego la transición a un patrón arraigado después de la implantación para guiar la alineación.

Bioimpresión 3D de la topografía vascular

La bioimpresión basada en la extrusión puede depositar células y crear microfibras alineadas, permitiendo una colocación precisa de cues topográficos en tres dimensiones. La impresión co-axial permite la fabricación de estructuras tubulares multicapa con topografías distintas en cada capa. Los investigadores están ahora imprimiendo canales huecos con microtextura interna para guiar la alineación de las CE bajo flujo.

Aprendizaje de Máquinas para Optimización de Topografía

El control de alto rendimiento de las bibliotecas topográficas y algoritmos de aprendizaje automático puede identificar características óptimas de superficie para respuestas específicas de las células vasculares. Este enfoque acelera el descubrimiento de nuevas topografías que maximizan la cobertura de las CE al minimizar la hiperplasia de las células SMC.

Desafíos de traducción clínica

Aunque diseños de andamio topográficos prometedores, traduciendo a carcasas de uso clínico en escalabilidad, esterilización y aprobación regulatoria. Mantener funciones nanoescala en grandes injertos es un reto con métodos de fabricación actuales. Además, los modelos animales suelen producir resultados diferentes que los estudios in vitro debido a la compleja microambiente in vivo.

Conclusión

La topografía es un potente y afinable parámetro para dirigir el comportamiento celular vascular y apoyar la formación de vasos sanguíneos. Al imitar la arquitectura jerárquica de los tejidos vasculares naturales, las superficies diseñadas pueden controlar la alineación celular, el fenotipo y la actividad angiogénica. El diseño cuidadoso de las características topográficas -considerando escala, patrón, material y dinámica- permitirán combinar materiales vasculares de funcionamiento más eficaces