Las células musculares de la espuma vascular son la clave para los vasos de sangre ingenieros funcionales

Las células de la célula de alta calidad son la principal causa de muerte en todo el mundo, conduciendo una demanda persistente de injertos vasculares. Mientras que los vasos autológicos como la vena saphenous son el estándar de oro para la cirugía de bypass, muchos pacientes carecen de tejido donante adecuado debido a la cosecha previa, enfermedad o limitaciones anatómicas de ingenuidad (sinfección)

¿Qué son las células del músculo de la musculatura vascular?

Los VSMC son células musculares altamente especializadas y no trituradas que residen en los medios de tunica de arterias y venas. En los vasos nativos existen en un fenotipo de miosidad quisciente y contable caracterizado por proteínas contácteas abundantes como la afluencia muscular α-smooth (α-SMA), la cadena pesada de miosina muscular suave (SM-MHC) y la presión neuromoral.

Más allá de la contractilidad y la síntesis de ECM, los VSMC también sirven una función de barrera crítica. Ayudan a regular el paso de macromoléculas y células a través de la pared del vaso, contribuyen a la producción de fibras elásticas que proporcionan retroceso, e interactúan con células endoteliales a través de señalización paracrina para mantener la homeostasis vascular.

El papel crítico de los VSMC en los vasos sanguíneos de ingeniería

En un vaso sanguíneo con tejido, los VSMC no son simplemente células de relleno. Son los arquitectos de las propiedades mecánicas y biológicas de la pared del vaso. Sus roles pueden ser descompuestos en varias funciones interrelacionadas.

Contrato y Vasoreactividad

Una gran ventaja de TEBVs vivos sobre injertos sintéticos es su capacidad para regular activamente el flujo sanguíneo. Cuando se diferencia correctamente, VSMCs en la pared diseñada pueden contraer en respuesta a agonistas como endothelin-1, angiotensina II y cloruro de potasio, y relajarse en respuesta a óxido nitrico o fuerza prostáctil.

Apoyo estructural y producción de MCE

La fuerza mecánica de un vaso sanguíneo viene principalmente de la ECM secretada por VSMCs. El colágeno tipo I y III proporcionan fuerza de tensión, mientras que elastin da al recipiente su retroceso elástico. En construcciones diseñadas, VSMC se siembran en un andamio, a menudo un polímero biodegradable como policaprolactona (PCL), ácido poliglicopélico (PGA)

Sanación, integración y remodelación

Tras la implantación, un TEBV está sujeto a lesión e inflamación. Las células inmunes de origen anfitriono se infiltran en la pared y las células madre circulantes pueden injerirse. Los VSMC en el edificio pueden proliferar y migrar para repoblar áreas de pérdida celular, y producen matriz para reparar microteares. Con el tiempo, el vaso diseñado remodela para parecerse a una arteria nativa, con VSMCs circunferiendo un argumento de conversión

Inhibición de trombosis e hiperplasia intimal

La capa VSMC funcional también contribuye a las propiedades antitrombóticas de la pared del vaso. Los VSMCs de los componentes producen inhibidor de la vía del factor de tejido y trombomodulina, y mantienen una superficie no trombógena cuando la capa endotelial está intacta. En los casos en que el hiperdotelio está dañado o ausente, comúnmente en los sitios anastómicos, los VSMC activos pueden ayudar a limitar la placa

Fuentes de VSMC para la ingeniería de tejidos

La elección de la fuente VSMC afecta dramáticamente el rendimiento de la construcción final. Cada fuente tiene ventajas y limitaciones que deben ser ponderadas contra el objetivo clínico.

VSMC de Arterial Primaria

La fuente más directa es la VSMC primaria aislada de las arterias donantes (por ejemplo, de los restos de la arteria torácica interna o de la propia vena safena del paciente). Estas células ya están comprometidas con el linaje muscular liso y pueden ser expandidas en la cultura. Sin embargo, tienen una vida replicativa finita y pueden someterse a la deriva fenotípica hacia el estado sintético durante la expansión.

VSMCs desechados por células madre

Las células madre de células madre activas pueden ser dirigidas hacia un destino muscular liso usando protocolos que incluyen factores de crecimiento como PDGF-BB, TGF-β1, y activin A. Las células madre de VSMC resultantes expresan marcadores de umbilización y pueden contraer en vitro.

VSMC inducidos mediante reprogramación directa

Un enfoque emergente es la conversión directa de fibroblastos u otras células somáticas en VSMCs utilizando factores de transcripción específicos de linaje como MYOCD (myocardin) y SRF. Este método evita la etapa pluripotente y puede producir una población más homogénea. Estudios tempranos muestran que los VSMCs reprogramados pueden contribuir a la formación de buques in vivo, pero el campo es todavía preclínico.

Estrategias de diseño y cultura

Para aprovechar el potencial total de los VSMC, el andamio debe proporcionar soporte mecánico adecuado, cues bioquímicos y una tasa de degradación que coincida con la deposición ECM. Se utilizan tres amplias categorías de andamios.

Paletas naturales

Los hidrogeles de ácido hialurónico y colágeno ofrecen excelentes sitios de biocompatibilidad y de adherencia celular. Los VSMC incrustados en estos geles pueden remodelarlos, pero la fuerza mecánica inicial es baja. Fibrin se ha utilizado con éxito en varios modelos de TEBV, incluyendo las llamadas hojas de vasos "autoensamblados", donde los VSMC se cultivan en una síntesis de fibrino que se aplica gradualmente.

Polimeros biodegradables sintéticos

Los polimeros como PCL, PGA, ácido polilactico (PLA), y ácido poli(áctico-co-glicólico) (PLGA) pueden ser electrospun en mallas uniformes nanofibrosas que imitan la arquitectura de la ECM nativa. Estos andamios proporcionan fuerza mecánica inmediata y se pueden adaptar para degradar durante semanas a meses.

Matrices descelularizadas

Los vasos humanos o animales descelularizados conservan la arquitectura y composición nativas de ECM, incluyendo colágeno, elastina y glucosaminoglicanes. Después de la eliminación de antígenos celulares, estos andamios pueden ser recelularizados con VSMC (y células endoteliales) para producir un vaso “hibrido”.

Acondicionamiento mecánico en Bioreactores

El efecto de la presión quirúrgica de la mechanotransducción de la mecanografía es muy bajo, y la cultura dinámica es casi siempre necesaria para producir un TEBV funcional. Los biorreactores aplican el flujo púlstil y el estiramiento circunferencial cíclico, que imitan el ambiente hemodinámico de una arteria nativa.

Desafíos actuales en los buques de ingeniería de base VSMC

A pesar de los avances significativos, varios obstáculos impiden el uso clínico generalizado de los TEBV.

Estabilidad fenotipo

El mayor desafío es mantener un fenotipo VSMC contradictorio desde el momento de la siembra a través de la vida del implante. En la cultura estática, VSMC cambia rápidamente a un estado sintético y produce una matriz excesiva que puede ocluir el lumen (hiperplasia neointimal). Una vez implantado, el vaso está expuesto a un complejo, flamatorio milieu que puede conducir más a la conmutación de fenotipo.

Respuesta inmunitaria

Los VSMCs alogénicos o xenógenos desencadenarán una respuesta inmune a menos que el host esté inmunosurado. Incluso los VSMCs autologosos pueden provocar inflamación si se modifican (por ejemplo, mediante la edición de genes) o si el material de andamio es inmunogénico. Los andamios descelularizados evitan los antígenos asociados a las células pero carecen del componente VMCuni vivo.

Difusión Nutriente y Supervivencia Celular

En vasos de paredes gruesas (más de 200–300 μm), el oxígeno y los nutrientes no pueden llegar al interior de los VSMCs por difusión sola. Sin una microvasculatura funcional, las células en el centro de la pared pueden morir durante la cultura o después de la implantación. Estrategias para superar esto incluyen la co-cultura con células endoteliales que forman redes capilares, utilizando andamios precavables

Escalabilidad y fabricación

La producción de un TEBV que cumpla con los estándares regulatorios requiere un proceso de fabricación reproducible y rentable. Los métodos actuales a menudo implican semanas de expansión celular y cultura biorreactor, con pasos manuales que son mano de obra intensiva y propensos a variabilidad. El desarrollo de biorreactores de sistema cerrado, cribado automático de células y ensayos de control de calidad (por ejemplo, para la expresión de marcadores de contractil, presión de explosión) será esencial para translatar.

Future Directions and Innovations

Varias tecnologías emergentes prometen abordar los desafíos descritos anteriormente.

Edición de genes para el control de fenotipo

Las herramientas basadas en CRISPR pueden utilizarse para diseñar VSMCs resistentes a la conmutación fenotípica o que sobreexpresen las proteínas contratráctiles. Por ejemplo, golpear en un transgénito miocárdico constitutivo activo o eliminar KLF4 (factor de transcripción que impulsa el fenotipo sintético) podría bloquear VSMCs en un estado contrágil.

3D Bioprinting

La bioimpresión permite un control espacial preciso sobre la distribución celular, la composición de los andamios e incluso la orientación de las fibras impresas. Las impresoras de inyección de tinta multieje o extrusión pueden depositar capas de hidrogeles VSMC-laden, conchas de polímero y células endoteliales para construir un recipiente con geometría definida. Varios grupos han impreso arterias de pequeño calibre con lumenes abiertos y han demostrado respuestas de copresión después de desafío.

Organoids and Self-Assembled Vessels

Una alternativa a los enfoques basados en andamios es permitir que los VSMC se autoorganicen en una estructura de vasos. Al cultivar VSMCs en una mandril tubular en un medio definido, algunos grupos han producido vasos acelulares suficientemente robustos para implantar después de la descelularización. Otros han creado “organoides musculares moderados” que exhiben actividad contractual espontánea y pueden ser utilizados para estudiar enfermedades vasculares o pruebas de drogas.

Traducción Clínica y Juicios en curso

Varias plataformas TEBV han entrado en pruebas clínicas. La más avanzada es el injerto "Lifeline" (CytoGraft, ahora parte de Humacyte), que utiliza VSMCs alogénicos sembrados en un andamio biodegradable en un bioreactor, luego descelularizados antes de la implantación. Este injerto acelular contiene una rica ECM producida por VSMCs, pero evita el acceso a células de células vivas

Para más lectura, véase este examen de la regulación del fenotipo VSMC] y este análisis de la naturaleza Reseña la cardiología de los injertos vasculares tejidos . En este artículo de Biomateriales se pueden encontrar detalles adicionales sobre los materiales de andamio .

Conclusión

Las células musculares lisas vasculares son mucho más que un relleno estructural en vasos sanguíneos diseñados. Proporcionan la función contráctil que hace que un injerto responda a las exigencias hemodinámicas, construyen y mantienen la matriz extracelular que le da al recipiente su integridad mecánica, y participan en la curación y remodelación después de la implantación.