Table of Contents
La capacidad de ingeniería de redes vasculares funcionales sigue siendo uno de los objetivos más difíciles pero esenciales en la ingeniería de tejidos y la medicina regenerativa. Sin un suministro de sangre incorporado, los tejidos gruesos diseñados no pueden sobrevivir después de la implantación debido a la falta de oxígeno y nutrientes. Canales microfabricados – caminos micro-escala cuidadosamente diseñados–ofrecen una estrategia poderosa para guiar la formación de la vasculatura artificial mitándose los cues físicos que los vasos naturales utilizan los investigadores de la geometría durante el desarrollo.
Canales microfabricados: Herramientas de precisión para ingeniería vascular
Los vasos sanguíneos naturales se forman a través de una combinación de angiogénesis (producción de los vasos existentes) y vasculogénesis (de novo montaje de células endoteliales). Estos procesos dependen de una compleja interacción de los gradientes químicos, las interacciones de la matriz extracelular (ECM) y las fuerzas físicas.
Técnicas de fabricación y consideraciones materiales
Varios métodos avanzados de microfabricación se han adaptado de las industrias semiconductoras y microelectromecánicas (MEMS) para crear canales a escala vascular. La elección de la técnica depende de la resolución necesaria, material, tridimensionalidad y compatibilidad con la cultura celular.
Litografía blanda
La litografía blanda sigue siendo el método más utilizado para fabricar canales microfluídicos en ingeniería de tejidos. Implica crear un molde maestro usando fotolitografía en una olla de silicio, luego lanzar un elastómero (típicamente PDMS) sobre el molde para producir una placa de patrón después de curado. PDMS es transparente, compatible con gas y modelo de filtre ideal para observar el comportamiento de células estrechas.
Para crear andamios biodegradables, la litografía suave se puede aplicar a los hidrogeles naturales o sintéticos mediante la reproducción de moldeo de materiales sacrificiales (por ejemplo, gelatina, alginato o Pluronic F‐127). Después de que el hidrogel se interrelaciona, la plantilla sacrificial se disuelve o se elimina térmicamente, dejando atrás una red de canal hueco.
Fotolitografía
La fotolitografía utiliza la luz para transferir un patrón geométrico de una fotomasca a un material fotosensible (fotoresista) en un sustrato. La fotolitografía tradicional produce patrones 2D, pero apilar múltiples capas o utilizar la exposición inclinada puede crear estructuras rudimentarias 3D. Los avances recientes en la polimerización de dos fotograbados pueden permitir la escritura directa de microcímetros
3D Bioprinting
La solución de flexión basada en la extrusión y la inyección de tinta han surgido como métodos flexibles para fabricar canales vasculares en hidrogeles de munición celular. Al imprimir una tinta sacrificial (por ejemplo, gelatina, plurón o vidrio carbohidrato) en un patrón deseado, entonces encapsularla con un hidrogel grueso y posteriormente eliminar el material de sacrificio, los investigadores pueden crear redes perfutables
Ablación láser
La ablación láser de Femtosecond puede tallar microcanales dentro de los hidrogeles o incluso tejidos vivos con alta precisión. Los pulsos láser vaporizan el material localmente, creando canales tan pequeños como unos pocos micrometros de diámetro. Este método no requiere una plantilla de molde o sacrificial y puede producir caminos arbitrarios 3D. Es especialmente útil para fabricar canales en matrices de colágeno denso o en tejidos descelularizados
Comportamiento celular guiado a través del diseño de microcanal
El éxito de la vascularización guiada por microcanal depende de cuán bien las características físicas y químicas de los canales replican el microambiente nativo. Las células endoteliales (EC) sienten topografía, rigidez y estrés de derrame, y responden reorganizando su citoskeletón, polarizando y formando estructuras de lumen.
Cuestiones físicas: Topografía, geometría y estilismo
El ancho, la altura y la curvatura de los canales de la ECE promueven la alineación inoxidable, mientras que las bifurcaciones fomentan el brote. Canales con diámetros inferiores a 50 μm fuerza ECs para formar un monocapa que cubre la pared interna, produciendo un lumen de la patente.
El estrés de la manguera del flujo de fluidos es otro punto físico crítico. Cuando se perfuman a las tasas de flujo fisiológico (0,5-10 dyn cm−2), los ECs subregulan genes asociados con la homeostasis de la nave, como KLF2 y eNOS], y permiten un control de flujo preciso.
Bioquímicas: Gradientes de Factor de Crecimiento
Los angiogénesis naturales son impulsados por los gradientes del factor de crecimiento endotelial vascular (VEGF), el factor de crecimiento fibroblasto básico (bFGF), y los angiopoietinas. Los microcanales pueden ser modificados para presentar estos factores de manera controlada espacialmente, por ejemplo, mediante la incorporación de micropartículas cargadas por factor de crecimiento en las paredes del canal o mediante un generador de gradiki fibrosis cerebral.
Interacciones entre células y matemáticas
La composición de ECM dentro y alrededor del canal juega un doble papel: proporciona soporte estructural y presenta señales bioquímicas. Canales fabricados en hidrogeles ricos en colágeno I y fibrin soportan la proliferación y brote de EC robusta porque estas matrices contienen sitios de unión integrina (por ejemplo, secuencias RGD) y se pueden remodelar fácilmente por MMPs de células móviles.
Formación de redes vasculares funcionales
Una vez que las células se siembran y los canales son perfumados, una serie de eventos celulares conduce a la formación de una red vascular conectada y funcional.
Alineación de células endoteliales y Lumenogenesis
En las horas siguientes, las CE se adhieren a las paredes del microcanal y comienzan a elongar. Durante los próximos 1-3 días, forman un monocapa confluente que cubre todo el canal. En canales más anchos que ~50 μm, las CE pueden inicialmente cubrir el suelo y el techo, eventualmente brincando para crear un lumen cilíndrico.
Reclutamiento de Pericyte y maduración Vascular
Para la estabilidad a largo plazo, los capilares deben ser envueltos por pericitos o células musculares lisas. Los microcanales hechos en hidrogeles pueden incorporar estas células murales en la matriz circundante. Cuando el medio contiene el factor de crecimiento direccional de plaquetas-BB (PDGF-BB), los pericitos migran hacia el canal EC-lined y extienden procesos que se ponen en contacto con la proliferación de las proteínastinas.
Perfusión y Anastomosis
En última instancia, la red vascular diseñada debe conectarse a la circulación del huésped (si se implanta) o a puertos fluídicos adicionales (para in vitro modelos). Los microcanales se diseñan con frecuencia con puertos de entrada y salida para la perfusión continua. En aplicaciones in vivo un canal de propulsión exitosa puede ser quirúrgicamente
Aplicaciones en la ingeniería de tejidos y la modelación de enfermedades
Los sistemas de canales microfabricados no son sólo herramientas de investigación, sino que tienen aplicaciones prácticas que abarcan el desarrollo de drogas, la biología de enfermedades y terapias regenerativas.
Organ‐on‐a‐Chip Platforms
La aplicación más madura es el formato “vessel‐on‐a‐chip” o “organ‐on‐a‐chip” donde los microcanales alineados con ECs se integran con otras células específicas de órgano (por ejemplo, hepatocitos, cardiomiocitos, células epiteliales pulmonares). Estas plataformas recapitulan la microarquitectura y función de los órganos humanos, permitiendo pruebas realistas y el ejemplo toxicidad
Narcotráfico y Toxicología
Los microcanales proporcionan un ambiente controlado para estudiar terapias vasculares-térgicas. Los investigadores pueden perfumar drogas a través del canal y la medida de la integridad de la barrera endotelial, la inhibición de la angiogénesis (por ejemplo, por medicamentos anti-VEGF), o la formación de trombos.
Injertos de tejidos vascularizados
Para la medicina regenerativa, el objetivo final es crear un tejido grueso e implantable que se pre-vasculariza mediante microcanales. Las redes pre-vessel pueden ser alineadas con ECs de pacientes y luego conectadas quirúrgicamente con la vasculatura anfitriona, reduciendo el tiempo necesario para el dolor de vaso anfitriona (que a menudo falla debido a la hipoxia).
Desafíos y futuras orientaciones
A pesar de los notables avances, quedan varios obstáculos antes de que la vascularización guiada por microcanal se convierta en una herramienta clínica rutinaria.
]Scalability: La mayoría de los métodos de fabricación actuales producen muestras pequeñas (máximas) con un número limitado de canales. La creación de una red vascular que coincida con la densidad y complejidad de un órgano humano (por ejemplo, hígado o riñón) requerirá técnicas de alto rendimiento, automatizadas. La bioimpresión 3D se está intensificando, pero la resolución y la velocidad siguen siendo beneficios.
La estabilidad a largo plazo: Los canales de línea CE en hidrogels a menudo se degradan durante semanas debido a la remodelación de la MCE mediada por células. La unión entre la matriz de equilibrio para permitir la remodelación mientras se evita el colapso es difícil. La co-cultura con los pericitos mejora la estabilidad, pero lograr la patenidad a largo plazo (conocidos 1 mes) comparable a los buques nativos sigue siendo un reto.
]Integración con vasculatura de acogida: Cuando los implantes se anastizan, a menudo hay un desfase en las propiedades mecánicas (estiffness) y señales bioquímicas, que conducen a la trombosis o hiperplasia intimal.La ingeniería superficial (por ejemplo, recubrimiento con heparina o péptidos antiinflamatorios) puede reducir la formación de clotosis [LT2 robustativa.
] Interacciones heterotípicas de células: Las redes vasculares reales están rodeadas de múltiples tipos de células (fibroblastos, macrófagos, células nerviosas) que modulan el comportamiento de los buques. Incorporar estas células de una manera controlada espacialmente dentro de los andamios será esencial para in vivo relevancia.
Standardization and reproducibility: Los diferentes laboratorios utilizan diferentes protocolos y materiales de fabricación, lo que dificulta la comparación de resultados. El desarrollo de procedimientos operativos estándar, líneas de células validadas y andamios disponibles comercialmente aceleraría la traducción.
Conclusión
Los canales microfabricados proporcionan una plataforma versátil y potente para dirigir la formación de red vascular. Al combinar el control geométrico preciso con la funcionalidad bioquímica, los investigadores pueden recrear aspectos clave de la angiogénesis natural y producir vasos funcionales perfusibles in vitro] y [[Fchan:2]in vivo.