Le cellule muscolari vascolari sono la chiave per i vasi sanguigni progettati funzionali

Tra i componenti di laboratorio di laboratorio di ingegneria sapnica che si basano su una costante domanda di innesti vascolari. Mentre i vasi autologhi come la vena saphenous sono gli standard di oro per la chirurgia di bypass, molti pazienti non hanno un tessuto donatore adatto a causa di precedenti raccolti, malattie o limitazioni anatomiche.

Che cosa sono le cellule muscolari di limorosi vascolari? Un'immersione profonda

I VSMC sono cellule muscolari altamente specializzate e non limitate che risiedono nei mezzi di comunicazione delle arterie e delle vene. Nei vasi nativi esistono in un fenotipo quiescente e contrale caratterizzato da abbondanti proteine contratte come l'actina muscolare da α-smooth (α-SMA), la catena pesante di miosina muscolare liscia (SM-MHC) e la calponina.

Oltre alla contrattilità e alla sintesi ECM, i VSMC servono anche una funzione di barriera critica, che aiuta a regolare il passaggio delle macromolecole e delle cellule attraverso la parete del vaso, a contribuire alla produzione di fibre elastiche che forniscono il rinculo, e interagire con le cellule endoteliali attraverso il segnale paracrino per mantenere l'omeostasi vascolare.

Il ruolo critico dei VSMC nei vasi sanguigni ingegnerizzati

In un vaso sanguigno con struttura a tessuto, i VSMC non sono semplicemente cellule di riempimento, sono gli architetti delle proprietà meccaniche e biologiche della parete del vaso, i cui ruoli possono essere suddivisi in diverse funzioni interconnesse.

Contrattualità e Vasoreattività

Un grande vantaggio di TEBV viventi su innesti sintetici è la loro capacità di regolare attivamente il flusso di sangue. Quando correttamente differenziato, VSMC nella parete ingegnerizzata può contrarsi in risposta a a agonisti come endothelin-1, vasi angiotensina II, e cloruro di potassio, e rilassarsi in risposta a ossido nitrico o prostaciclina rimane.

Sostegno strutturale e produzione di ECM

La forza meccanica di un vaso sanguigno viene principalmente dall'ECM secreto da VSMC. Il tipo di collagene I e III forniscono resistenza alla trazione, mentre l'elastina conferisce al vaso il suo rinculo elastico. Nei costrutti ingegnerizzati, i VSMC sono seminati su un ponteggio, spesso un polimero biodegradabile come il policaprolatone (PCL), l'acido poliglicolico (PGA), o una malattia degenerativa.

Guarigione, integrazione e ristrutturazione

L'impianto di un TEBV è sottoposto a lesioni e infiammazioni. Le cellule immunitarie derivate da host infiltrano la parete e le cellule progenitrici circolanti possono incidere. VSMC nel costrutto possono proliferare e migrare per ripopolare le aree di perdita cellulare, e producono matrice per riparare i microtears. Nel tempo, la maggior parte delle argomentazioni di vasi ingegnerizzati per assomigliare a un'arteria nativo, con VSMCs.

Inibizione della trombosi e dell'iperplasia intimale

I VSMC funzionano inoltre con l'inibitore di vie di trombomodulina e di fattore di tessuto, e mantengono una superficie non trombogenica quando lo strato endoteliale è intatto. Nei casi in cui l'endotelio è danneggiato o assente, l'attivazione comune a siti anastomotici, la formazione VSMCs sottostante può aiutare a limitare la fenla fenlamina.

Fonti di VSMC per ingegneria dei tessuti

La scelta della sorgente VSMC influisce notevolmente sulle prestazioni del costrutto finale, e ogni fonte ha vantaggi e limitazioni che devono essere pesate contro l'obiettivo clinico.

VSMCs arteriosi primari

La fonte più semplice è VSMCs primaria isolato dalle arterie donatorie (ad esempio, dai resti interni dell'arteria toracica o dalla vena sapanica del paziente). Queste cellule sono già impegnate nella linea di tessuto muscolare liscio e possono essere espanse nella cultura. Tuttavia, hanno una vita replicativa finita e possono subire deriva fenotipic verso lo stato immunitario sintetico durante l'espansione.

VSMC a celle a umido

Le cellule staminali sono una fonte scalabile e potenzialmente autologa di VSMC. Le cellule staminali Pluripotent (iPSC o ESC) possono essere indirizzate verso un destino muscolare liscio utilizzando protocolli che coinvolgono fattori di crescita come PDGF-BB, TGF-β1, e l'attivazione A. Le cellule VSMC-come risultato esprimono marcatori contrattivi e possono contrarsi in vitro.

VSMC indotti tramite riprogrammazione diretta

Un approccio emergente è la conversione diretta di fibroblasti o di altre cellule somatiche in VSMCs utilizzando fattori di trascrizione specifici di lineage come MYOCD (myocardin) e SRF. Questo metodo evita lo stadio pluripotente e può produrre una popolazione più omogenea.

Strategie di progettazione e cultura

Per sfruttare il pieno potenziale di VSMC, il ponteggio deve fornire un adeguato supporto meccanico, cue biochimiche, e un tasso di degrado che corrisponde alla deposizione ECM.

Affalchi naturali

I clogeni di collagene, fibrina e acido ialuronico offrono eccellenti siti di biocompatibilità e adesione cellulare. I VSMC incorporati in questi gel possono rimodelli, ma la forza meccanica iniziale è bassa. La fibra è stata utilizzata con successo in diversi modelli TEBV, tra cui i cosiddetti "auto-assemblati" fogli di vasi, dove VSMC sono coltivati in un gel di sintesi di fibrina che gradualmente sostituisce.

Polimeri biodegradabili sintetici

I polimeri come PCL, PGA, acido polilattico (PLA), e poli (acido lattico-co-glicolico) (PLGA) possono essere elettrospun in mesh nanofibrous che imitano l'architettura del ECM nativo. Questi ponteggi forniscono immediato resistenza meccanica e possono essere adattati per degradare oltre settimane a mesi.

Matrici decellularizzate

I vasi decellulari umani o animali conservano l'architettura e la composizione nativa dell'ECM, tra cui collagene, elastin e glicosaminoglicani. Dopo aver rimosso gli antigeni cellulari, questi ponteggi possono essere recellulari con VSMC (e cellule endoteliali) per produrre un vaso "ibrido".

Condizionamento meccanico in Bioreattori

Indipendentemente dal tipo di ponteggio, la cultura dinamica è quasi sempre necessaria per produrre un TEBV funzionale. I bioreattori applicano il flusso pulsale e il tratto ciclic circumferenziale, che imitano l'ambiente emodinamico di un'arteria nativa. Le forze meccaniche attivano i percorsi di segnalazione (ad esempio, RhoA/ROCK, metanotrasduzione mediata integrina) che promuovono il crosso VSMC fenotipo chirurgico

Sfide attuali in VSMC-Based Vessels ingegnerizzati

Nonostante i progressi significativi, diversi ostacoli impediscono l'uso clinico diffuso di TEBV.

Stabilità del fenotipo

La grande sfida è mantenere un fenotipo VSMC contraente dal momento della semina attraverso la vita dell'impianto. Nella cultura statica, VSMCs rapidamente passare a uno stato sintetico e produrre matrice eccessiva che può occludere il lumen (iperplasia neointimale). Una volta impiantato, il vaso è esposto a un complesso, infiammatorio milieu che può ulteriormente guidare fenilecondifica commutazione.

Risposta immunitaria

Anche VSMC autologo può provocare l'infiammazione se sono modificati (ad esempio, per modifica del gene) o se il materiale ponteggio è immunogenico.

Diffusione Nutriente e Sopravvivenza Cellulare

In vasi a parete spessa (più di 200–300 μm), ossigeno e nutrienti non possono raggiungere i VSMC interni da sola diffusione. Senza una microvascolatura funzionale, le cellule al centro della parete possono morire durante la cultura o dopo l'impianto.

Scalabilità e produzione

La produzione di TEBV che soddisfa gli standard normativi richiede un processo di produzione riproducibile e conveniente. I metodi attuali comportano spesso settimane di espansione cellulare e di cultura del bioreattore, con passaggi manuali che sono laboriosi e inclini alla variabilità. Lo sviluppo di bioreattori a sistema chiuso, la semina automatica delle cellule e le analisi di controllo della qualità (ad esempio, per l'espressione dei marcatori contrattili, la pressione di rottura) saranno essenziali per la traslazione di produzione commerciale TEBV.

Le direzioni e le innovazioni future

Diverse tecnologie emergenti promettono di affrontare le sfide sopra descritte.

Modificazione genetica per il controllo del fenotipo

Gli strumenti basati su CRISPR possono essere utilizzati per l'ingegneria VSMC che sono resistenti al commutazione fenotipico o che sovraesprimere le proteine contrattuali. Ad esempio, bussare in un trasgene costitutivo della miocardina o eliminare KLF4 (un fattore di trascrizione che guida il fenotipo sintetico) potrebbe bloccare VSMC in uno stato contraente.

Biostampa 3D

La biostampa permette un controllo preciso dello spazio sulla distribuzione cellulare, sulla composizione delle impalcature e anche sull'orientamento delle fibre stampate. Le stampanti multi-assi a getto d'inchiostro o estrusione possono depositare strati di idrogeli VSMC-laden, conchiglie polimeriche e celle endoteliali per costruire un vaso con geometria definita.

Organoidi e Vesselli autoassemblati

Un'alternativa agli approcci basati sulle impalcature è permettere ai VSMC di auto-organizzarsi in una struttura del vaso. Separando VSMC su un mandrino tubolare in un mezzo definito, alcuni gruppi hanno prodotto vasi cellulari abbastanza robusti per l'impianto dopo la decellularizzazione. Altri hanno creato "organoidi muscolari fuoti" che presentano attività contrattive spontanee e possono essere utilizzati per studiare malattie vascolari o per testare le risposte ai farmaci.

Traduzioni Cliniche e Prove in corso

Molti gruppi TEBV sono entrati in test clinici. Il più avanzato è l’innesto “Lifeline” (CytoGraft, ora parte di Humacyte), che utilizza VSMC allogeneic seme su un ponteggio biodegradabile in un bioreattore, poi decellularizzato prima dell’impianto.

Per ulteriori informazioni, vedere questa recensione di VSMC fenotype regolamento[ e questo recensione Natura Panoramica della Cardiologia dei tessuti innesti vascolari []. Ulteriori dettagli sui materiali impalcatura possono essere trovati in questo articolo Biomaterials.

Conclusioni

Le cellule muscolari fluide vascolari sono molto più di un riempitivo strutturale nei vasi sanguigni ingegnerizzati. Essi forniscono la funzione contrattuaria che rende un innesto reattivo alle esigenze emodinamiche, costruire e mantenere la matrice extracellulare che dà al vaso la sua integrità meccanica, e partecipare alla guarigione e rimodellamento dopo l'impianto.