Le besoin critique de la vasculaireisation en génie tissulaire

La médecine régénératrice cherche depuis longtemps à créer des organes pleinement fonctionnels en laboratoire, mais un goulot d'étranglement persistant a été l'absence d'un built‑dans l'approvisionnement sanguin. Sans réseaux microvasculaires perfusables, les tissus artificiels ne peuvent pas supporter les exigences métaboliques des cellules au-delà de quelques centaines de micromètres. La diffusion seule ne permet pas de fournir suffisamment d'oxygène et de nutriments au cœur d'une construction, ce qui entraîne la mort cellulaire et l'échec du greffon.

Les réseaux microvasculaires sont le système complexe de distribution du corps, composé d'artérioles, de capillaires et de veines. Ils sont responsables de l'échange de gaz, du transport des nutriments, de l'élimination des déchets et de la surveillance immunitaire. Dans les organes naturels, ces réseaux sont hiérarchiquement organisés et précisément conçus pour répondre aux besoins métaboliques locaux.

La biologie des réseaux microvasculaires

Pour construire des réseaux microvasculaires artificiels, il faut d'abord comprendre le plan biologique. Les capillaires sont bordés de cellules endothéliales, qui forment une barrière semi-‑perméable qui régule le transport moléculaire.Ces tubes endothéliaux sont stabilisés par des péricytes et des cellules musculaires lisses, qui fournissent un support mécanique et répondent aux signaux biomécaniques.La matrice extracellulaire entourant les vaisseaux contient un mélange complexe de protéines telles que le collagène, la laminine et la fibronectine qui guident la formation et le maintien de la patence des vaisseaux.

Le facteur de croissance endothéliale vasculaire (VEGF) entraîne l'angiogenèse, tandis que l'angiopoietine et le n°8209;1 favorisent la maturation et la stabilité des vaisseaux. Le facteur de croissance dérivé (PDGF) recrute des péricytes pour les vaisseaux naissants et transforme le facteur de croissance et le n°8209;β (TGF et n°8209;β) module le remodelage des vaisseaux. Dans les systèmes de génie, ces facteurs doivent être présentés en doses contrôlées spatialement et temporellement.

L'architecture physique de la microvasculature est également importante. Les diamètres des vaisseaux varient de 5 à 10 μm dans les capillaires à 30 à 100 μm dans les artérioles. Les patrons de ramification suivent des géométries fractales qui optimisent le flux de fluide et réduisent la résistance. Les réseaux naturels s'adaptent également aux contraintes de cisaillement par des voies de mécanisation, qui ajustent le calibre et l'épaisseur des parois.

Principaux défis dans les réseaux perfusables en génie

Malgré des progrès importants, la création de réseaux microvasculaires fonctionnels dans les organes artificiels demeure redoutable.

  • Formation et stabilité du vestibule: Les cellules endothéliales doivent self‑assembler en tubes avec une polarité appropriée et des jonctions serrées.Sans support des cellules murales, les vaisseaux nouvellement formés se régressent souvent ou deviennent hyperperméables.
  • Intégration sans couture avec l'apport sanguin de l'hôte:[ L'inosculation – la connexion entre les vaisseaux de génie et d'hôte – doit se produire rapidement pour prévenir l'ischémie.
  • Intégrité structurelle pendant la transplantation:[ Les vaisseaux microscopiques sont fragiles. La manipulation et la manipulation chirurgicale peuvent les écraser ou les déchirer, entraînant une hémorragie ou une occlusion.
  • Perfusion rapide et uniforme :[ Le volume de tissu entier doit être atteint dans les minutes qui suivent la connexion pour éviter la mort du noyau.
  • Écalage jusqu'à l'humain et #8209; organes de taille: Alors qu'un bloc de tissu de 1 cm3 peut être vasculaire dans un plat, l'échelle à un foie ou un rein entier nécessite des millions de microcanaux positionnés avec précision.

Surmonter les limites de la diffusion

La contrainte physique fondamentale est la limite de diffusion de l'oxygène dans les tissus, soit environ 100 à 200 μm. Sans réseau vasculaire, les cellules plus éloignées de la source d'éléments nutritifs mourront. Les constructions techniques plus épaisses que quelques centaines de microns doivent donc incorporer des canaux perfusables. Les premières tentatives ont utilisé des échafaudages poreux qui reposaient sur la circulation des médias, mais ceux-ci manquaient de lumens linéaires nécessaires pour la longue et la longue et la patine à terme.

Gérer la réponse immunitaire

Même les cellules endothéliales autologues peuvent déclencher une inflammation si le matériau de l'échafaudage active le système immunitaire inné. Les biomatériaux doivent être conçus pour minimiser les réactions du corps étranger tout en favorisant l'angiogenèse. Les revêtements avec anti‑ molécules inflammatoires ou l'incorporation de cellules T réglementaires sont des stratégies émergentes pour réduire le rejet et soutenir la stabilité des vaisseaux.

Techniques avancées pour la création de réseaux

Bioimpression 3D

Les chercheurs peuvent imprimer des canaux sacrificiels qui sont ensuite remplis par les cellules endothéliales. Une méthode courante imprime une encre fugitive qui est dissoute après que l'hydrogel en vrac soit recoupé, laissant derrière eux des tubes creux. Ces tubes sont alors bordés de cellules endothéliales ombilicales humaines veineuses (HUVEC) ou de cellules souches pluripotentes induites et #8209; cellules endothéliales dérivées.

La bioimpression coaxiale utilise une buse à l'intérieur d'une buse pour extruder un filament de carotte et de coque. Le canal intérieur devient lumen; la coque extérieure contient un hydrogel chargé de cellules musculaires lisses ou de péricytes. Cette technique permet l'impression simultanée de cellules d'endothélium et de support, produisant des récipients à parois bicouches. Cependant, les limites de résolution limitent actuellement l'impression coaxiale aux récipients de diamètre > 200 μm. Les chercheurs combinent la bioimpression avec deux‑polymérisation photon pour atteindre des caractéristiques de sous‑10 μm, bien que le débit demeure faible.

Microfabrication et microfluidique

Les techniques de microfabrication adaptées à l'industrie des semi-conducteurs permettent la création de réseaux de canaux contrôlés avec précision dans les moules au silicium, au verre ou aux polymères. La lithographie douce avec le polydiméthylsiloxane (PDMS) est largement utilisée pour fabriquer des dispositifs microfluidiques avec des canaux jusqu'à 1 μm. Ces dispositifs sont excellents pour étudier le comportement du flux et des cellules, mais sont moins adaptés pour l'implantation, car le PDMS n'est pas biodégradable.

Les fibres sont intégrées dans une matrice hydrogel et sont ensuite dissoutes, laissant des canaux interconnectés. Les cellules endothéliales semées dans ces canaux adhèrent et forment des doublures confluentes en quelques jours. Cette technique permet la création de réseaux complexes, trois‑dimensionnels avec des diamètres de 10 à 300 μm. En regroupant plusieurs fibres, on peut générer des structures hiérarchiques de ramification qui miment les arbres vasculaires naturels. Cependant, le processus est labour‑ intensif et difficile à écheller pour les constructions d'organes‑ dimension.

Échafaudages vasculaires décellulisés

La décellulation élimine tout le matériel cellulaire d'un organe animal ou humain tout en préservant la matrice extracellulaire, y compris l'arbre vasculaire intact. L'échafaudage qui en résulte peut ensuite être recellé avec des cellules endothéliales de lignée patiente et #8209. Cette approche a été appliquée avec succès à des coeurs entiers de rat, des foies et des reins, qui ont ensuite été perfusés et ont montré une fonction limitée. L'avantage majeur est la préservation de l'architecture indigène jusqu'au niveau capillaire.

La recellarisation nécessite l'infusion de cellules endothéliales (souvent via les principaux vaisseaux) sous pression et débit contrôlés. Les cellules doivent être distribuées à toutes les branches, y compris les plus petits capillaires où la résistance est élevée. Plusieurs rondes de perfusion avec suspensions cellulaires, parfois combinées avec des forces magnétiques ou centrifuges, améliorent la couverture. Même alors, de nombreux capillaires restent vides ou sont bordés de façon incomplète. De plus, l'endothélium recellalisé doit être fonctionnel – exprimant des molécules d'adhérence, régulant la perméabilité et répondant au stress de cisaillement.

Auto‑Assemblage et vasculogenèse

Dans les bonnes conditions, les cellules endothéliales peuvent self‑organiser en capillaires‑ des réseaux semblables par un processus mimiking vasculogenèse. Lorsqu'elles sont intégrées dans un hydrogel avec des cellules supportantes telles que des fibroblastes ou des cellules souches mésenchymiques, elles germent, se ramifient et forment des tubes lumen‑ cette méthode produit des réseaux capillaires physiologiquement pertinents avec un diamètre de 5 à 15 μm. Cependant, les réseaux sont stochastiques et ne disposent pas de l'organisation hiérarchique nécessaire pour la perfusion en vrac.

L'implantation in vivo de tels réseaux d'auto-‑assemblés a montré que les vaisseaux hôtes envahiront et se connecteront au plexus d'ingénierie dans les 1-2 semaines. Cette technique est maintenant utilisée pour créer des greffes cutanées vascularisées et des substituts osseux.

Assurer l'intégration avec la circulation d'hôte

Même le réseau microvasculaire le plus parfaitement construit est inutile s'il ne peut pas amastomose avec l'approvisionnement sanguin de l'hôte. L'anastomose se produit lorsque les cellules endothéliales de l'implant et de l'hôte se contactent, forment des jonctions intercellulaires, et établissent une lumen continue. Ce processus est entraîné par la germination angiogène des deux côtés. Les études montrent que l'anastomose commence dans les heures de l'implantation et se stabilise sur 3-7 jours. Cependant, dans les constructions épaisses, le noyau peut rester non perfusé pendant plus longtemps, conduisant à la nécrose.

Plusieurs stratégies accélèrent l'intégration. Pré​vascularisation de la construction dans un bioréacteur avant la transplantation assure que le réseau est déjà bordé de cellules endothéliales et peut être immédiatement connecté aux vaisseaux hôtes. Les techniques chirurgicales telles que la connexion de l'artère principale et de la veine de l'implant à la vascularisation de l'hôte (comme une transplantation) fournissent une perfusion immédiate, mais exigent que l'implant contienne au moins un grand vaisseau qui peut être suture.

La surface lumineuse des vaisseaux de génie devrait être anti‑thrombogène, exprimant des molécules telles que la thrombomoduline et le sulfate d'héparine. Les canaux de revêtement avec héparine ou les semis avec les cellules endothéliales qui produisent de l'oxyde nitrique peuvent réduire la formation de caillot.

Succès actuels et obstacles restants

Le champ a démontré la preuve et le n°8209;du n°8209;concept dans plusieurs modèles animaux de petite taille. Par exemple, des patchs cardiaques techniques contenant des microfeux perfusables ont été implantés sur le cœur du rat et ont montré qu'ils intégraient et améliorent la fonction après l'infarctus du myocarde.De même, des constructions hépatiques vasculaires ont été implantées comme greffons auxiliaires et ont soutenu la survie des hépatocytes pendant des semaines.

Les principaux obstacles sont l'échelle et la durabilité. Bien qu'il soit possible de créer un réseau vasculaire qui supporte un bloc tissulaire de 1 cm3 en culture pendant des jours, le maintien de la patente pendant des mois dans un environnement dynamique et fluide n'a pas été atteint. Les cellules endothéliales peuvent dédifferer ou devenir sénescentes sous une contrainte constante de cisaillement, et les cellules murales peuvent se détacher.

Dans les tissus naturels, les capillaires lymphatiques drainent le liquide interstitiel et empêchent l'oedème. Les tissus conçus qui manquent de ce système gonflent souvent, compressant les vaisseaux et altérant le flux. Certains groupes travaillent maintenant à intégrer des facteurs lymphangiogéniques ou co‑culture cellules endothéliales lymphatiques, mais cela reste dans son enfance.

Orientations futures

Bioréacteurs intelligents pour la maturation

Les bioréacteurs qui imitent l'environnement hémodynamique du corps sont essentiels pour la maturation des réseaux microvasculaires. Le débit pulsatile, l'étirement cyclique et la contrainte physiologique de cisaillement (1-10 dyn/cm2) favorisent l'alignement endothélial et le renforcement des gènes mécanisés. Next‑generation bioréacteurs intègrent des capteurs pour mesurer l'oxygène, le pH et la résistance au flux en temps réel, permettant un retour d'information‑ conditionnement contrôlé.

Médecine personnalisée et sources de cellules

Les cellules souches pluripotentes induites (CSPi) offrent un patient et une source de cellules spécifiques pour la construction de réseaux vasculaires. Les cellules endothéliales et les péricytes dérivées peuvent être agrandis en grandes quantités et génétiquement modifiés pour améliorer la stabilité ou la tolérance immunitaire. Cependant, les protocoles de différenciation doivent être améliorés pour produire des cellules qui recapitulent complètement les phénotypes spécialisés de différents lits vasculaires (p. ex., endothélium du cerveau et du foie).

Organe et n°8209;on et n°8209;a et n°8209;Intégration des puces

Les réseaux microvasculaires font partie intégrante des organes et des cellules vivants, et ils combinent les canaux microfluidiques et les cellules vivantes pour recréer la structure et la fonction d'organes comme le poumon, le foie et les reins. L'incorporation de la microvasculature perfusable permet de récapituler le transport, le métabolisme et la toxicité des médicaments dans un contexte humain.

Applications au-delà de la transplantation

Bien que l'objectif ultime soit de fabriquer des organes prêts à être transplantés, les réseaux de microvasculaires perfusables ont déjà presque et et et et et et 8209; des applications à terme dans la découverte de médicaments, la toxicologie et la modélisation des maladies. Par exemple, les modèles tumoraux vasculaires permettent aux chercheurs d'étudier la métastase du cancer et de tester les traitements anti- & # 8209; les thérapies anti-angiogéniques dans un environnement contrôlé.

Ces plateformes permettent également d'étudier les maladies vasculaires telles que l'athérosclérose, la microangiopathie diabétique et l'hypertension pulmonaire. En créant des réseaux avec des cellules endothéliales dérivées du patient et du patient et en créant des réseaux de cellules endothéliales, on peut modéliser les prédispositions génétiques et tester des traitements personnalisés.

Dépistage et essais de toxicité des médicaments

Actuellement, de nombreux médicaments échouent dans les essais cliniques en raison d'une toxicité vasculaire inattendue ou d'une mauvaise distribution.Les puces de réseau microvasculaire permettent une image réelle et temporelle des effets des médicaments sur l'intégrité des vaisseaux, la perfusion et la fonction endothéliale.Par exemple, les chimiothérapeutiques qui causent le syndrome de fuite capillaire peuvent être testés sur de telles plates-formes, en identifiant tôt les composés à risque au et à la 8209; le débit de ces puces augmente avec l'automatisation et le multiplexage, ce qui les rend viables pour le dépistage à grande échelle.

Comprendre l'angiogenèse et le développement

Les réseaux microvasculaires conçus servent également d'outils de recherche pour étudier la biologie fondamentale. En contrôlant précisément les gradients de facteurs de croissance, la rigidité de la matrice et le débit, les scientifiques peuvent disséquer les mécanismes de germination angiogène, de maturation et de régression des vaisseaux. Ces idées se nourrissent de l'amélioration des stratégies de génie tissulaire. Par exemple, des travaux récents ont montré que la rigidité de la matrice péricyte et l'ajustement de leur contractilité, qui influence à son tour le diamètre des vaisseaux.

Conclusion

Au cours de la dernière décennie, le développement de réseaux parfusibles de microvasculaires dans les organes conçus représente l'une des frontières les plus intéressantes de la médecine régénératrice. Au cours de la dernière décennie, les progrès dans la bioimpression, la microfabrication, la décellulation et l'auto-analyse cellulaire et la 8209; ensemble nous ont rapprochés de l'objectif de créer des tissus épais et viables avec built‑dans l'approvisionnement en sang. Pourtant, des défis importants subsistent : atteindre la capillarité‑ résolution à l'échelle, assurer la stabilité à long‑intégration à la circulation des hôtes sans thrombose et l'échelle aux organes humains‑ taille.

Pour plus de détails, veuillez consulter ces ressources : les National Institutes of Health donnent un aperçu de ingénierie des tissus et médecine régénérative; un examen complet des stratégies de vascularisation se trouve dans Études de la nature Matériaux; des détails sur la bioimpression 3D des réseaux vasculaires sont discutés dans un article séminal dans Science; et des progrès récents dans le domaine des organes et du numéro 8209;on‑a‑chip technology sont mis en lumière par Wyss Institute.