La Fondazione di Ingegneria del tessuto vascolare

La malattia cardiovascolare rimane una causa principale di morbilità e mortalità in tutto il mondo, creando un urgente bisogno di sostituzione vascolare funzionale. Mentre i sistemi autologhi (come le vene sapeniche o le arterie mammarie interne) sono lo standard d'oro, molti pazienti non hanno i vasi donatori adatti a causa di raccolto, malattia, o vincoli anatomici.

Biologia endoteliale e il Fenotipo Risponsabile Flusso

Il Barriera Endoteliale e le sue funzioni

Le cellule endoteliali (EC) formano un rivestimento monostrato dell'intero sistema circolatorio. Regolano il tono vascolare, la funzione di barriera, l'emostasi e l'infiammazione. Nei vasi sani, le EC sono allungate e allineate con la direzione del flusso sanguigno. Questo allineamento non è semplicemente passivo; è un processo attivo, dipendente dall'energia guidato da forze meccaniche.

Shear Stress Mechanotrasduzione

Lo stress del cesoio (FSS) è la forza attrito esercitata dal flusso sanguigno sulla superficie della CE. ECs avverte l'allineamento FSS attraverso più mechanosensori, tra cui cilia primaria, glicoalix rigido, integrina e proteine di giunzione delle cellule cellulari (VE-cadherin, PECAM-1).

Cue topografiche: Guida di contatto in tre dimensioni

Micro e Nanoscale Patterning

Le cellule sono squisitamente sensibili alle caratteristiche fisiche del loro substrato, un fenomeno noto come guida di contatto. In vascolari, le cue topografiche possono essere impartite attraverso fibre, scanalature, creste o pori.

I fibre con diametri tra 200 nm e 1 μm, distanziati non più di pochi micron separati, forniscono un'ottima guida. Se le fibre sono troppo spesse o ampiamente distanziate, le cellule possono diffondersi su più fibre e perdere informazioni direzionali. Inversamente, le fibre che sono troppo dense possono limitare la migrazione delle cellule e la diffusione dei nutrienti.

Il ruolo della rugosità e della porosità

Oltre all'allineamento delle fibre, la rugosità superficiale alla scala nanometrica influenza anche l'allineamento e l'adesione della CE. La rugosità moderata (Ra ≈ 10-50 nm) promuove la formazione di aderenza integrina e di aderenza focale, che facilita a sua volta la generazione e l'allineamento della tensione citoscheletale.

Stiffa meccanica e elasticità substrato

La rigidità del ponteggio (modulo elastico) è un potente regolatore del comportamento CE. Le pareti arteriose native mostrano una rigidità di circa 0,5-5 MPa (a seconda dell'età e dello stato della malattia), mentre i materiali di innesto sintetici come politetrafluoroetilene espanso (ePTFE) sono molto più rigidi (>100 MPa).

La gamma ottimale per un ponteggio vascolare è una rigidità che permette una deposizione provvisoria della matrice e una contrazione cellulare, fornendo al tempo stesso sufficiente integrità strutturale per resistere alla pressione di scoppio. Spesso si ottiene attraverso disegni compositi: uno strato rigido, esterno (ad esempio, policaprolactone, PCL) per la resistenza meccanica emergente, e uno strato morbido e morbido (ad esempio, gelatina, collagene) per la compatibilità CE.

Cue biochimiche: allineamento guida attraverso il riconoscimento molecolare

I primi elementi di tracciamento e rigidità non agiscono in isolamento; sono interpretati da cellule in accordo con segnali biochimici. L'ideale ponteggio vascolare presenta un complesso ambiente di proteine ECM (collagen type I e IV, fibronectin, laminin), fattori di crescita (VEGF, FGF, PDGF), e peptidi di adesione (RGD, YIGSR).

La biofunzionalizzazione aiuta anche a combattere uno dei principali modi di fallimento di piccoli innesti vascolari di diametro: iperplasia intima. Questa risposta patologica è caratterizzata da una eccessiva proliferazione delle cellule muscolari lisce (SMC) e deposizione di ECM. Promuovere selettivamente l'adesione e l'allineamento CE, mentre scoraggiando l'inclusione di SMC sovrapposizione (ad esempio, attraverso i rivestimenti antiproliferativi o l'adesione di EC-specifico

Tecniche di fabbricazione di scaffalature per l'allineamento endoteliale controllato

Elettrospinning di Nanofibers allineati

I materiali di allineamento dei polimeri di etnia sono i più utilizzati per la produzione di particelle di fibre fibrose allineate. La raccolta di fibre di allineamento di spun su un mandrino rotante ad alta velocità (velocità di rotazione > 1000 rpm), le fibre possono essere orientate circonferenzialmente, mimetizzando l'allineamento di SMC e EC nella parete del vaso nativo.

Le limitazioni dell'elettrospinning includono il controllo limitato sulla deposizione delle fibre in tre dimensioni (le scaffold sono in genere sottili fogli o tubi), la difficoltà nella creazione di architetture pore complesse e il potenziale per solventi tossici residui.

Microfabricazione e litografia morbida

Per un controllo preciso dei modelli topografici (groove, pilastri, canali), le tecniche di microfabrificazione prese in prestito dall'industria dei semiconduttori sono state adattate per la produzione di impalcature.

Mentre la microfabbricazione offre una precisione senza pari, è generalmente limitata a superfici bidimensionali o semplici strutture tridimensionali. L'approccio è più utile per creare in vitro] modelli di funzione di barriera vascolare (ad esempio, "vessel-on-a-chip") piuttosto che innesti impiantabili.

Matrici decellularizzate e Scaffold naturali

I porfidoti, pur essendo incompleti, non possono essere utilizzati in vasi sanguigni, ma possono essere utilizzati in modo semplice per la loro allineamento, anche in caso di insufficienza di particelle, e per la loro presenza, possono essere utilizzati in modo da evitare che i loro effetti siano incompleti.

Valutazione di Allineati Scaffolds: In Vitro e In Vivo Approcci

Valutare la qualità dell'allineamento endoteliale su un ponteggio richiede metodi qualitativi e quantitativi. In vitro, microscopia fluorescente di filamenti di actina (stagno di fleidina) o giunzioni VE-cadherin possono rivelare l'orientamento cellulare.

Gli studi in vivo comportano in genere l'impianto di impalcature come innesti di interposizione nei modelli animali (ratto, coniglio, pecore o maiali). La patency viene valutata dall'ultrasound Doppler o dall'angiografia a più punti di tempo. Dopo l'espianto, l'analisi istologica (ematoxylin ed eosin, il blue alcian) e l'itochimica (CD31, vWF) sono usati per valutare il grado di e i tassi di e di esina.

Un'area emergente è l'uso di bioreattori per precondizione impalcature prima dell'impianto. Sottoponendo l'impalcatura a flusso pulsale e ceppo ciclico, le EC sono "trainte" per allineare in modo appropriato al flusso.

Traduzioni cliniche e sfide attuali

Nonostante decenni di ricerca, solo una manciata di innesti vascolari creati dai tessuti (TEVG) hanno raggiunto un uso clinico. Gli esempi più efficaci sono innesti di grande diametro (>6 mm) realizzati con materiali sintetici (Dacron, ePTFE) che si basano su endotelializzazione passiva in situ] – un processo che è spesso incomplentalecito

Gli studi clinici attuali si concentrano sugli innesti decellularizzati (ad esempio, il Vesello Acellulare Umano da Humacyte) o su quelli sintetici biodegradabili (ad esempio, da Xeltis).Questi innesti sono progettati per essere fuori-the-shelf, evitando la necessità di autologo cellule semina e la cultura lunga.

Direzioni future: Scaffold informati e personalizzati

La prossima generazione di ponteggi vascolari sarà probabilmente progettata utilizzando un approccio [ mechanobiologia-informato[]. Ciò significa integrare i modelli computazionali che prevedono come le cellule EC risponderanno a una data geometria, rigidità del paziente e modellazione biochimica.

Un'altra frontiera emozionante è l'uso di "impalcature dinamiche" che possono cambiare le proprie proprietà in risposta a stimoli esterni (pH, temperatura, enzimi). Ad esempio, un ponteggio che diventa più morbido o degrada nel tempo può consentire alle EC di rimodellare il loro ambiente, potenzialmente promuovendo un allineamento più naturale.

Infine, la combinazione di impalcature allineate con sorgenti di cellule avanzate (ad esempio, cellule endoteliali che formano la colonia (ECFC) o indotte pluripotenti staminali derivate dalle EC (iPSC-EC) potrebbe superare i limiti della raccolta EC autologo. Queste cellule possono essere espanse a grandi numeri e predifferenziate in un fenotipo di flusso-responsabile sotto un fenomeno di allineamento completamente.

Conclusioni

Endothelial cell development è un elemento fondamentale del design vascolare funzionale. Non è un singolo evento, ma un processo complesso e multi-fattoriale che coinvolge la mechanotransduzione dello stress, la guida di contatto dalla topografia del ponteggio, il feedback meccanico da parte della rigidità del ponteggio, il riconoscimento molecolare da superfici biofunzionalizzate.