Introduzione: Il ruolo critico della vascolarizzazione nella rigenerazione polmonare

Le malattie polmonari come la malattia polmonare cronica (COPD), la fibrosi polmonare e la fibrosi cistica influenzano centinaia di milioni di persone in tutto il mondo. Per le condizioni di fine stadio, il trapianto di polmone rimane l'unica opzione curativa, ma è gravemente limitato dalla carenza di organi donatori, il rifiuto cronico e l'immunosuppressione respiratoria lungo tutto il ciclo.

Comprendere l’architettura vascolare del polmone

Il sistema vascolare del polmone è straordinariamente complesso, comprende due distinte circolazioni: la circolazione polmonare (per lo scambio di gas) e la circolazione capillare (per l’alimentazione dei nutrienti alle vie aeree). La circolazione polmonare contiene da sola una stima di 300 miliardi di capillari, che formano un’enorme superficie di ingegneria, quasi 70 metri quadrati, dove si scambiano ossigeno e anidride carbonica.

La fodera endotelio non è uniforme; presenta fenotipi distinti a seconda del tipo di nave (articolato, venoso, capillare).Le cellule endoteliali capillari, ad esempio, sono fenestrate ed esprimono marcatori specifici come la proteina a base di vescicola di plasmalemma (PLVAP).

Sfide chiave in tessuto polmonare ingegnerizzato vascolarizzazione

Prima di esaminare i recenti progressi, è importante capire gli ostacoli fondamentali che i ricercatori affrontano:

  • Densità e gerarchia:[] Il polmone richiede una rete capillare estremamente densa con una ramificazione gerarchica precisa.
  • Perfusione e patency:[] Anche se viene creata una rete vascolare, deve rimanere aperta e adeguatamente perfusa con il sangue sotto pressione fisiologica.
  • Compatibilità immunitaria:[] L'endotelio ingegnerizzato deve essere non immunogenico e capace di resistere all'attacco immunitario, soprattutto se derivato da fonti allogeneiche o iPSC.
  • Scale-up:[] Un segmento polmonare clinicamente utile o un intero organo richiede miliardi di capillari funzionali.
  • Integrazione con l'host:[] Dopo l'impianto, la vascolatura ingegnerizzata deve anastamosi con la circolazione del destinatario rapidamente per evitare ischemia e necrosi.

Ciascuna di queste sfide ha spinto le innovazioni nei materiali, nell'asperimento cellulare e nelle tecniche di produzione.

Innovazioni in Biomaterial Scaffolds per l'ingegneria dei tessuti vascolari

Polimeri biodegradabili e Matrici decellularizzate

I primi progetti di ponteggi hanno usato semplici polimeri biodegradabili come l'acido alfa-co-glicolico poli (PLGA) e il policaprolattone (PCL). Mentre questi forniscono supporto meccanico e degradano nel tempo, mancano della bioattività della matrice extracellulare nativo (ECM).

Idrogeli e Biomateriali Naturali

Idrogeli composti da collagene, fibrina, acido ialuronico, o Matrigel sono stati ampiamente utilizzati perché imitano l'ambiente morbido e idratato del tessuto polmonare. Possono essere iniettati come precursori liquidi e incrociati in situ o utilizzati come bioinchiostri per la biostampa 3D. Un esempio notevole è l'uso di gelatina methacrylated (GelMA) combinata con fattori vasculogenic per generare

Stampaggio 3D e modellazione Sacrificial

La produzione addizionale ha rivoluzionato la fabbricazione di reti vascolari. Tecniche come la biostampa sacrificale utilizzano un filamento temporaneo (realizzato da Pluronic F127, gelatina, o vetro carboidrato) che viene stampato in uno stampo, poi rimosso dopo che il materiale di massa circostante è solidificato.

Elettromanti e Nanofiber Scaffolds

Electrospinning produce tappeti non tessuti di fibre nanoscala che imitano l'ECM fibroso. Utilizzando fibre allineate o collettori di mandrino, è possibile creare condotti tubolari che assomigliano a piccole arterie. Mentre elettrospinning eccelle a produrre modelli con elevati rapporti di superficie-volume, è difficile creare le reti gerarchiche di ramificazione necessarie per l'approccio di ricapitolazione 3.

Avanzamenti nelle fonti cellulari e tecniche di cultura

Celle endoteliali: dal primario all'iPSC-Derived

Il tipo di cellule ideale per i tessuti polmonari vascolarizzanti è autologo endoteliale (EC), ma la raccolta di numeri sufficienti da un paziente è impraticabile. Le cellule endoteliali della vena umana (HUVEC) sono ampiamente utilizzate per gli studi di embrione di derivazione, ma sono derivati da grandi vasi e non ricapitolano completamente il fenotipo delle cellule staminali

Sistemi di co-cultura e organi

I tessuti vascolari non esistono in isolamento; richiede cellule di supporto come pericytes, cellule muscolari lisce e fibroblasti per stabilizzare i vasi di nuova formazione. I modelli di co-cultura hanno dimostrato che le cellule stromali mesenchymal (MSC) possono agire come cellule di tipo pericyepite, avvolgendo intorno ai tubi di linea EC e depositando ECM che rafforza la parete del vaso.

Sistemi di bioreattore per la Maturazione

I bioreattori che applicano perfusione controllata, pressione e ceppo cico sono essenziali per la maturazione. Si simulano l'ambiente meccanico del polmone, promuovendo l'allineamento CE, stringendo giunzioni cellulari e aumentando la produzione di proteine ECM come il collagene IV e la laminina.

Strategie per indurre la vascolarizzazione rapida a Vivo

Anche la migliore vascolatura in vitro-grown ha bisogno di connettersi con la circolazione dell'ospite dopo l'impianto.

  • Prevascularization:[] Il costrutto ingegnerizzato viene prima impiantato in un sito altamente vascolare, come l'omentum o una lembo muscolare, per diversi giorni per permettere ai vasi ospiti di infiltrarsi prima di trasferirlo al polmone.
  • Consegna dei fattori di crescita:[ Il rilascio controllato di VEGF, angiopoietin‐1 e bFGF da ponteggi favorisce l'increscita del vaso ospite.
  • Anastomosi microchirurgica:[ In grandi modelli animali, i ricercatori hanno collegato chirurgicamente l'arteria principale del tessuto ingegnerizzato e la vena alla circolazione del destinatario. Ciò richiede che le pareti dei vasi artificiali siano abbastanza forti da tenere suture e resistere alla coagulazione.
  • In situ reclutamento di cellule circolanti:[] Un altro approccio elegante utilizza impalcature rivestite con anticorpi che catturano le cellule progenitori endoteliali circolanti (EPCs).Come il sangue scorre attraverso il costrutto, gli EPC aderiscono, differenziano e formano un endotelio funzionale.

Integrazione con la rigenerazione alveolare

L'obiettivo finale dell'ingegneria dei tessuti polmonari non è solo quello di creare vasi sanguigni ma di costruire unità di scambio funzionali a sangue d'aria. L'alveolo è una struttura delicata che comprende uno strato epiteliale (tipo I e II pneumociti), una membrana del seminterrato e uno strato endoteliale—tutti strettamente juxtaposed.

Gli approcci biomimetici che utilizzano chip microfluidici hanno dimostrato valore. I dispositivi Lung-on-a-chip incorporano due canali paralleli, una foderata con epitelio ed esposti all'aria, l'altra foderata con endotelio e perfusa con media, separati da una membrana porosa. Questo sistema riproduce le caratteristiche chiave dell'interfaccia alveolare-capillary ed è stato utilizzato per studiare la tossicità e meccanismi di malattia del farmaco 2010 ([0Fl.

Un'altra direzione promettente è l'uso di organoidi polmonari che contengono progenitori epiteliali ed endoteliali; quando questi organoidi sono coltivati in un bioreattore con allungamento ciclico e perfusione, sviluppano strutture alveolari più mature. Alcuni organoidi producono anche tensioattivi, un complesso di proteine-lipidi essenziali per ridurre la tensione superficiale.

Verso la traduzione clinica

Nonostante i progressi significativi, non è ancora stato testato un polmone completamente vascolare, ma gli ostacoli sono formidabili. Studi preclinici in grandi animali (pig, pecore) hanno dimostrato che i polmoni decellularizzati possono essere recellularizzati e impiantati per brevi periodi, ma la patenza a lungo termine e la funzione sostenuta non sono stati dimostrati.

Tuttavia, sono in corso diversi studi clinici per i costrutti di tessuto vascolare più semplici. Ad esempio, gli innesti vascolari creati dai tessuti per la chirurgia pediatrica cardiovascolare sono entrati in studi di primo grado. Le lezioni apprese da queste applicazioni – come l'importanza di anticoagulazione, rivestimenti anti-infiammatori e l'ammortamento cellulare – informeranno direttamente lo sviluppo di costrutti polmonari.

Le direzioni future

Medicina di precisione e progettazione computazionale

Grazie alla dinamica dei fluidi computazionali, i ricercatori possono ottimizzare il design delle impalcature per una minima resistenza al flusso e una perfusione uniforme. Gli algoritmi di apprendimento automatico sono addestrati a prevedere come le cellule endoteliali risponderanno a diverse geometrie e a delle forme biochimiche, consentendo una rapida iterazione dei disegni di ponteggio.

Prodotti Off-the-Shelf

Per uso clinico diffuso, i tessuti polmonari ingegnerizzati devono essere disponibili “fuori dallo scaffale”. Questo richiede metodi di crioconservazione robusti per costrutti vascolarizzati e linee cellulari donatori universali ipo-immunogenic. IPSC geneticamente modificati (ad esempio, con le delezioni dei geni MHC o sovraespressione di CD47) sono stati sviluppati per evadere sia i pazienti cellulari che la linea di rifiuto umorifico.

In Situ Ingegneria del tessuto

Invece di coltivare i tessuti in laboratorio e impiantarlo, in situ si mira a reclutare le cellule proprie del paziente ad un ponteggio posto nel corpo. I idrogeli iniettabili che formano canali vascolari all’esposizione alla luce quasi infrarossa, o le impalcature che rilasciano chemoattraenti per progenitori endoteliali, potrebbero ridurre al minimo la necessità di una cultura ex vivo.

Conclusioni

I progressi nella costruzione di tessuti vascolari stanno costantemente smantellando le barriere alla rigenerazione funzionale dei polmoni.Le innovazioni nei biomateriali -dagli ECM decellularizzati agli idrogeli stampati 3D - ora permettono la creazione di sistemi vascolari gerarchici e perfusabili, mentre il progresso parallelo nella biologia delle cellule staminali ha permesso di generare cellule endoteliche specifiche dei polmoni e di co-culturarli con la scala epile