פיתוח רשתות מיקרו-וסקולריות ניתנות למניעה באיברים

הצורך הקריטי ב-Vircularization in Tissue Engineering

תרופות רגנרטיביות כבר זמן רב ביקשו ליצור איברים פונקציונליים לחלוטין במעבדה, אבל צוואר בקבוק מתמשך היה היעדר של מערכת בנוי & #8209; באספקת דם.ללא רשתות מיקרו-וסקולריות בלתי ניתנות להשגה, רקמות ממונדסיות לא יכולות לעמוד בדרישות המטבוליות של תאים מעבר למאות מיקרומטרים. Diffusion לבד לא מספק חמצן וחומרים מזינים כדי הליבה של מבנה, המוביל למוות וגניבת דרכים למחזור הדם של רשתות מיקרוסקופיות מורכבות, אשר יכולות לשלב את הזיהומים אלה.

רשתות מיקרווסקולריות הן מערכת ההנעה המורכבת של הגוף, המורכבת מ- arterioles, capillaries, ו-venules. הם אחראים להחלפת גז, תחבורה תזונתית, הסרת פסולת ו המעקב חיסוני. באיברים טבעיים, רשתות אלה מאורגנות ברקמות ומדויקות בדיוק כדי להתאים לצרכים מטבוליים מקומיים.

ביולוגיה של רשתות מיקרו-וסקולריות

כדי לבנות רשתות מיקרו-וסקולריות מלאכותיות, יש להבין תחילה את התבנית הביולוגית. Capillaries ממוצבים על ידי תאים endothelial, אשר מהווים חצי & #8209; מחסום שניתן ליישב את התחבורה המולקולרית. צינורות אלה הם מייצבים על ידי perictes ותאים שרירים חלקיים, אשר מספקים תמיכה מכנית ולהגיב לרמזים ביומיים.

מסלולי אות מפתח למשול היצירה והשיפוץ של microvessels. ו גורם צמיחה אנדוטילית (VEGF) מניע angiogenesis, בעוד angiopoietin ‑1 מקדם את הצנרת הזדווג והיציבות. פלט & #82G00; גורם צמיחה מופחת (PDGF) גייס למערכות ריכוזיות, ומשנה מינונים דינמיים (למשל: β-) β-iOSREF) חייב להיות ממריצים את המהנדסים קטנים (ped) β-iOSREDIRST.

האדריכלות הפיזית של microvasculature חשובה באותה מידה. Vessels טווח מ 5-10 מיקרומטר ב capillaries ל 30-100 מיקרומטר ב arterioles.תבניות צנרת לעקוב אחר ג'קמטים גיאומטריים אופטימיזציה נוזל ולהפחית התנגדות.רשתות טבעיות גם להסתגל ללחץ Shear באמצעות מסלולים מכניים, אשר להתאים את קיר caliberty ועובי.

אתגרים עיקריים בהנדסת רשתות

למרות התקדמות משמעותית, יצירת רשתות מיקרו-וסקולריות פונקציונליות באיברים מהונדסים עדיין מרתיעה.

• (FLT:0) היווצרות ויציבות: 1FLT:1 תאים אנדואוליים חייבים להיות עצמיים & #8209; להרכיב צינורות עם קוטביות נאותה וצומתים הדוקים.
• (FLT:0) שילוב ללא תשלום עם אספקת דם מארחת: ⁇ 1 (Iosculation) - הקשר בין כלי שיט מהונדסים ומארחים - חייב להתרחש במהירות כדי למנוע איכמיה.
• (FLT:0) יושרה פנימית במהלך ההשתלה: ⁇ 1:1 כלי מיקרוסקופיים הם שבריריים. Handling ומניפולציה כירורגית יכולים לרסק או לקרוע אותם, מה שמוביל לאנתרופולוגיה או להפחתה.
• (FLT:0) פיזור אחיד ומדים: FLT:1, יש להגיע לנפח הרקמות כולו בתוך דקות של חיבור למניעת מוות הליבה.זה דורש רשת היררכית עם מסלולים של התנגדות נמוכה.
• (FLT:0) ,התקרבות לאדם & #8209; איברים גדולים:FLT:1 בעוד בלוק 1 ס"מ3 של רקמות ניתן לחדור לתוך מנה, קנה מידה של כבד שלם או כליות דורש מיליוני מיקרו-ערוצים בדיוק.

המונחים: Diffusion Limitations

התחזוקה הפיזית הבסיסית היא הגבול דיפוזיה של חמצן ברקמות - 100-200 מיקרומטר (microm) ללא רשת vascular, תאים רחוק יותר ממרחק זה ממקור תזונתי ימות.מבנים מנדסים עבה יותר מכמה מאות מיקרונים חייבים אפוא לשלב ערוצים חד-פעמיים.

ניהול התגובה של החיסון

תאים אלוגניים המשמשים היווצרות רשת עשויים לעורר דחייה חיסונית.אפילו תאים אנדוטיאליים אוטומטיים יכולים לגרום דלקת אם החומר הפגום מפעיל את המערכת החיסונית המולדת. biomaterials חייב להיות מתוכנן למזער תגובות גוף זר תוך קידום אנגוגנזה.אטים עם אנטי-ו-#8209; מולקולות דלקתיות או שילוב של תאים רגולטוריים T הם אסטרטגיות מתפתחות כדי להפחית את יציבות כלי שיט.

טכניקות מתקדמות ליצירת רשת

3D Bioprinting

שלושה ‑ bioprinting ממדי התפתח ככלי רב עוצמה עבור ייצור רשתות vascular.שימוש ביונואידים המורכב הידרוגלס, תאים חיים, וגורמי צמיחה, החוקרים יכולים להדפיס ערוצי הקרביים אשר מאוחר יותר מלא תאים אנדואליים האחרונים.

ביו הדפסה קואקסיאלית משתמשת ב nozzle בתוך nozzle כדי extrude a Core ‑shell filament. הערוץ הפנימי הופך ל lumen; הפגז החיצוני מכיל הידרוג טעון עם תאים שרירים חלק או pericytes.טכניקה זו מאפשרת הדפסה בו זמנית של endothelium ותמיכה תאים, ומייצרת כלי עם קירות דו-שכבתיים.

מיקרו-תזונה ומיקרו-השפעה

טכניקות מיקרו-תזונה המותאמות לתעשיית המוליכים למחצה מאפשרות יצירת רשתות ערוצים מבוקרות בדיוק בסיליקון, זכוכית, או תבניות פולימריות. לימוזינה רכות עם פולידי מתילסקסוסין (PDMS) משמשת באופן נרחב לייצור מכשירים מיקרו-פלודיקליים עם ערוצים עד 1 מיקרומטר.מכשירים אלה מצוינים ללמידה של זרימה והתנהגות תא אך הם פחות מתאימים להשתלה מכיוון ש-PD אינה ניתנת לתבניות מיקרו-מחזוריות כמו הידרוגנוריות.

התקדמות בולטת היא השימוש של סוכר או סיבים ג'לטין כמו תבניות. סיבים משובצים במטריקס הידרוג ולאחר מכן מומס, משאיר ערוצים מקושרים. תאים אנדאליים הנזרעים לתוך הערוצים האלה לדבוק וליצור ציפויים מתואמים בתוך ימים.טכניקה זו מאפשרת יצירת של מורכבות, 3 & #8209; רשתות תלת מימדיות עם קוטרים מ 10 עד 300 מיקרומטר.

Decellized וחילוני Scaffolds

אלטרנטיבה לבניית רשתות מאפס היא להשתמש בשקע הטבעי של איברים התורם. Decellization מסיר את כל החומר התאי מחיה או איבר אנושי תוך שמירה על ממטריקס תאי, כולל עץ vascular שלם.הפסל המתקבל יכול להיות revalized עם המטופל & #8209; איורים מבוישים מחדש של תאים.

התאוריום דורש שימוש בתאי קצה (בדרך כלל באמצעות כלי שיט מרכזיים) תחת לחץ מבוקר וזרימה.תאים חייב להיות מחולק לכל הענפים, כולל את הכנפיים הקטנים ביותר שבו ההתנגדות גבוהה.מספר סיבובים של היתוך עם השעיה תאים, לפעמים בשילוב עם כוחות מגנטיים או צנטריפוגיים, לשפר את הכיסוי הראשי.

עצמי ו-#8209; אסופי ואולוגנס

בתנאים הנכונים, תאים endothelial יכולים self ‑ לארגן לתוך capillary ‑ כמו רשתות באמצעות תהליך מחקה vasculogenesis.כאשר מוטבע ב הידרוג עם תאים תומכים כגון fibroblasts או mesenchymal תאי גזע, הם נבטים, הזרוע, ויוצרים lumen ‑ מכיל; צינורות זה מניבה רלוונטי מבחינה פיזיולוגית עם רשתות מיקרוסקופיות של 509 צורך microtraic.

בהשתלת מוח כזו של עצמי ו-#8209; רשתות מאגדות הראו כי כלי שיט מארחים פולשים ומתחברו למורכב המונדס בתוך 1-2 שבועות, טכניקה זו משמשת כעת ליצירת grafts עור vascularated ותחליפי עצמות.אבל עבור איברים שלמים, שיעור איטי של בידוד וחוסר שליטה על גבי טופולוגיה רשתית נשאר מרכזי.

שילוב עם Host Circulation

אפילו הרשת המיקרו-וסקולרית המושלמת ביותר היא חסרת תועלת אם היא אינה יכולה לוותר על אספקת הדם של המארח. Anastomosis מתרחשת כאשר התאים ההמולה של השתל וצרף מגע אחד עם השני, ליצור צומתים בין-תאיים, ולבסס סיכה מתמשכת.תהליך זה מונע על ידי אנגיוגנית הנבט משני הצדדים. מחקרים מראים כי אטומיוזיס מתחיל בתוך שעות של השתלה וייצוב מעל 3 ימים, עלול להישאר מסבך יותר, אך אינו מוביל יותר, אך אינו יכול להיות ממוליך, אך אינו מזחלות, אך הוא עלול להיות ממול.

כמה אסטרטגיות להאיץ את האינטגרציה.Pre & #8203; פולשנית המבנה ביולוגי לפני השתלה מבטיחה כי הרשת כבר קו עם תאים נוסטלליים יכול להיות מחובר מיד עם כלי מארח.טכניקות כירורגיות כגון חיבור העורק הראשי של השתל וריד לשקע של המארח (כמו השתלה) לספק היתוך מיידי, אבל דורש כי יש צורך זה מכיל לפחות כלי רכב גדול יכול להיות בשימוש זה רק כדי לפתח כלי דם גדול יותר.

אתגר נוסף הוא למנוע thrombosis.משטח luminal של כלי שיט ממונדס צריך להיות אנטי & #8209;thrombogenic, ביטוי מולקולות כגון thrombomodulin ו heparin sulfate. מתקפל ערוצים עם heparin או לראות עם תאים אנדוטיים המייצרים תחמוצת חנקן יכול להפחית היווצרות איטי & #82; releaseacy הם תחת חקירה אנטי-מסוגיה.

הצלחה נוכחית ולהישאר Hurdles

השדה הראה הוכחה ו-#8209; של & #8209; תפיסה במספר מודלים בעלי חיים קטנים.לדוגמה, ליטלות לב ממונדסים המכילים microvessels בלתי ניתן להפריש על לבבות עכברים, והראה לשלב ולשפר את התפקוד לאחר התקוממות מינוקלית. בדומה לכך, בניית כבד vascularized הושתלה כמו עזר edgras ו- hepatocytes במשך שבועות אלה לא הגיעו למבחנים קליניים גדולים כמו גם.

ההוורדים העיקריים הם בקנה מידה ועמידות.בעוד שניתן ליצור רשת vascular התומכת בלוק רקמה 1 ס"מ3 בתרבות במשך ימים, שמירה על סבלנות במשך חודשים בסביבה דינמית, זורמת לא הושג. תאים אנדואליים יכולים לדעוך או להיות סנסנט תחת לחץ על-ידי הרדאר קבוע, ותאים קירליים עשויים להעריך לטווח ארוך ו-#82; מחקרים עם הדמיה (#EX) ו- 2.

הגבלה נוספת היא חוסר מערכת לימפה.ברקמות טבעיות, capillaries לימפה מנקזים נוזל בין-יסודי ומונעות edema. רקמות מונדסים שחסרות למערכת זו לעתים קרובות swell, דחוסים כלי שיט ופגיעה בזרימה. חלק מהקבוצות כיום עובדים לשלב גורמים לימפונגוגניים או co‑ תאים לימפוציטליים, אבל זה נשאר בחית.

כיוונים עתידיים

ביולוגיים חכמים ל Maturation

ביולוגיים המחקים את הסביבה המודינמית של הגוף הם קריטיים עבור רשתות מיקרו-וסקולריות מונדסים. Pulsatile זרימה, מתח מחזורי, ולחץ Shear פיזיולוגי (1-10 דינמי / ס"מ2) לקדם היערכות מקצה-ליבית ולהגדיל את רמת הרגישות של mechano כלפי גנים אחרים. & #8209; bioreactors משלבים חיישנים למדידת חמצן, עמידות ו-type בזמן אמתי, ומאפשרים להזיזים יותר ל-www.

מקורות רפואה אישית ותאים

תאי גזע בשפע (iPSCs) מציעים מטופלת & #8209; מקור תא ספציפי לבניית רשתות vascular. iPSC ‑ תאים אנדומטריים ו pericytes ניתן להרחיב בכמויות גדולות וערוך גנטית כדי לשפר את יציבות או סובלנות חיסונית.

איברים ‑on ‑a ‑ אינטגרציה צ'יפ

רשתות מיקרו-וסקולריות הן חלק בלתי נפרד מ-Orcow ‑a ‑ מכשירים כי מודל פיזיולוגיה אנושית לבדיקת סמים. שבבים אלה משלבים ערוצי מיקרו-השפעה עם תאים חיים כדי לשחזר את המבנה ואת הפונקציה של איברים כגון הריאה, הכבד והכליות. שילוב של microvasculature infusable מאפשר recapit של תחבורה, חילוף החומרים, ו רעילות בהקשר זה יכול להיות יעיל של השבבים לשימוש ישיר של השבבים.

יישומים מעבר ל Transplantation

בעוד המטרה הסופית היא לייצר השתלה ‑ איברים מוכנים, רשתות מיקרו-וסקולריות ניתנות להשגה כבר קרוב ל- #8209; יישומים ארוכי טווח בגילוי סמים, רעילות ומחלות דוגמנות. לדוגמה, מודלים של גידולים פולשניים מאפשרים לחוקרים ללמוד metastasis סרטן ובדיקת תרופות אנטי-#8209; טיפולים אנגיוגניים בסביבה מבוקרת.

פלטפורמות אלה גם מאפשרות חקירה של מחלות פולשניות כגון atherosclerosis, microangiopathy סוכרת, ואת hypertension ריאות. על ידי יצירת רשתות עם מטופל & #8209; תאים אנדואליים, אחד יכול מודל נטייה גנטית טרום-התאמה ובדיקת טיפולים מותאמים אישית.תעשיית התרופות מתאמץ יותר ויותר איברים & #8209; ו-#82a; ו-#82pchi; כדי להפחית את הרלוונטיות של חיידקים חיוניים עבור שילוב של חומרים פיזיולוגיים.

בדיקת סמים ושקיפות

כיום, תרופות רבות נכשלות בניסויים קליניים בשל רעילות פולשנית בלתי צפויה או הפצה ירודה. שבבים ברשת מיקרווסקולרית מאפשרים אמיתי & #8209; הדמיה של ההשפעות של סמים על שלמות כלי שיט, היתוך, ותפקוד קצה. לדוגמה, צ'אטאוטיקה שגורמת לתסמונת דליפת אשארי ניתן למסך עבור פלטפורמות כאלה, זיהוי ב- & #82; סיכון מוקדם.

הבנה של אנגוגנזה ופיתוח

רשתות מיקרו-וסקולריות מונדסות משמשות גם ככלי מחקר כדי ללמוד ביולוגיה בסיסית.על ידי שליטה בדיוק בגורם גדילה ⁇ s, קשיחות מטריצה וזרימה, מדענים יכולים לנתק את המנגנונים של נבטות אנגוגניות, הזדווגות כלי שיט, ותקיפות. תובנות אלה ניזונות בחזרה לשיפור אסטרטגיות הנדסת רקמות.למשל, עבודה לאחרונה הוכיחה כי ממטרת החושים היקפיים והתאמה של החוזה שלהם, אשר הופך את ההשפעות של תכונות מכניות כגון, כמו מכניות.

מסקנה

הפיתוח של רשתות מיקרו-וסקולריות בלתי ניתנות להשגה באיברים ממונדסים מייצג את אחד הגבולות המרגשים ביותר ברפואה רגנרטיבית. במהלך העשור האחרון, התקדמות בהנדסת אופניים, מיקרו-תזונה, דיפלומה, ו- סלולארית עצמי ו-0909; ה-Sassembly הביאה אותנו קרוב יותר למטרה של יצירת רקמות עבות, בינתחומיות עם מתודולוגיה של D‑ אך עדיין אתגרים משמעותיים: 82, תוך כדי להבטיח את אותה התקדמות מחזורית; 82, תוך כדי שינוי דרך פתרון מחזורית; 8209, ופתרון ארוך טווח; 82, ובכך, ובכך, תוך כדי להבטיח את האפשרות של התפתחות אנושית;82, תוך כדי להבטיח את האפשרות של התפתחותית; 8209, תוך כדי שינוי יעיל יותר ויותר, תוך כדי להבטיח את האפשרות של התפתחות אנושית; 8209, אם כן, אם כן, אם כן, תוך כדי שינוי יעיל יותר ויותר, תוך כדי שינוי יעיל יותר ויותר, תוך כדי שינוי יעיל יותר ויותר, תוך כדי שינוי יעיל יותר ויותר, עם התפתחות מחזורית, עם התפתחות מחזורית, אם כך, אם כן, תוך כדי שינוי יעיל של התפתחות של התפתחות אנושית; 8209, אם כן, תוך כדי שינוי יעיל יותר ויותר, אם כן, אם כן, אם

(ב) לקריאה נוספת, לשקול את המשאבים האלה: המכון הלאומי לבריאות מספק סקירה של הנדסת תפוצה:0tissue Engineering and regenerative MedicineFLT:1; סקירה מקיפה על אסטרטגיות של vascularization ניתן למצוא ב FLT:2 ביקורות טבע חומרים sertph 3; פרטים על הדפסה תלת מימדית של רשתות vascular נדונים במאמר LT:4seminal בשנת [[המאה ה-09F]] ו-93Fi}};