Mentre i tessuti sottili come la pelle possono essere sostenuti da diffusione, i più grandi costrutti — come le macchie cardiache, i lobuli epatici, o i segmenti renali — richiedono una microvascolatura funzionale per fornire ossigeno e sostanze nutritive e rimuovere i rifiuti.

La dinamica fluida della ruggine in Bioreattori

Lo stress della cesta, nel contesto di un bioreattore, è la forza tangenziale esercitata da un fluido in movimento (media di cultura) sulla superficie delle cellule o di un ponteggio. È matematicamente definito come stress della parete (WSS), rappresentato dall'equazione ] = μ (∂u/∂y)|]w][FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF]]]]]]]]]]

Il flusso di flusso all'interno di un bioreattore, sia laminare che turbolente, influisce drammaticamente sulla distribuzione WSS. Il flusso laminare, caratterizzato da un basso numero di Reynolds (Re < 2000 per flussi interni), è prevedibile e genera un campo di taglio uniforme e ben definito.

I bioreattori di flusso di calore [FLT: 1]] generano i fluidi di pressione magnetici, ma la loro configurazione è molto più diretta, poiché i tipi di flusso possono essere modulati per raggiungere un obiettivo WSS sul lume dei vasi ingegnerizzati o sui canali di rivestimento delle cellule.

Mechanosensing endoteliale: l'interfaccia primaria

L'impatto biologico dello stress della canapa è mediato dalla mechanotransduzione, il processo attraverso il quale le cellule convertono le forze meccaniche in segnali biochimici. Le cellule endoteliali (EC), che lineano tutti i vasi sanguigni, sono squisitamente sensibili al flusso.

Il glycocalyx

Il glicocalisse è uno strato di proteoglicani, glicoproteine e glicosaminoglicani sulla superficie apicale delle cellule endoteliali. Si sporge nella lumen ed è la prima struttura a deformare sotto il flusso. Questa deformazione trasmette forza al citoscheletro corticale.

Cilia primaria

I ciliari principali sono organelli monoparentali e non moti che agiscono come mechanosenors in molti tipi di cellule. Su cellule endoteliali, in particolare in aree di basso o disturbato flusso, il cilio si piega sotto stress di taglio, innescando un afflusso di ioni di calcio (Ca2+[AttivitÃ1]]).

Complesso di ricettori a membrana

Una potente forza di movimento del movimento dei movimenti di massa, che consiste nella trasmissione di una cellula di tipo endoteliale, che consiste in una potente azione di trasmissione di cellule endoteliali (FLT: 1).

Segnale Intracellulare e regolamento trascrizionale

A valle di questi sensori, lo stress della cetra attiva il percorso PI3K/Akt, che porta alla fosforilazione di endoteliali sintasi dell'ossido nitrico (eNOS) e alla produzione di NO è un potente fattore vasodilatatore e una molecola pro-angiogenica chiave.

La Dose-Responsa Bifasica: Optimal vs. Shear patologica

Il rapporto tra grandezza di sforzo e formazione vascolare non è lineare ma bifasico; esiste una finestra di WSS ottimale che promuove angiogenesi robusta e maturazione dei vasi, al di fuori del quale lo sviluppo vascolare è compromesso o disorganizzato.

La zona di Goldilocks per la formazione vascolare

I livelli moderati di stress della cesoia laminare, in genere nella gamma di 5 a 20 dina/cm2 (flusso arterioso mimiante), promuovono fortemente un fenotipo pro-angiogenico. In queste condizioni, le cellule endoteliali si allineano nella direzione del flusso, un passo critico per la formazione di strutture tubolari con un determinato lume.

Meccanismi di danni vascolari sotto la cesoia anormale

In particolare, la formazione vascolare è stata soppressa in modo attivo. Le reti di trasmissione non sono più in grado di provocare un trauma meccanico, che provoca un arrotondamento delle cellule endoteliali, un distacco e un'apoptosi.

Applicazioni nella medicina rigenerativa e nella modellazione delle malattie

La capacità di programmare lo stress della cesoia si traduce direttamente in prestazioni migliorate dei tessuti ingegnerizzati nei modelli preclinici e piattaforme organ-on-a-chip.

Pre-Vascolarizzazione di tessuti per la trapiantazione

Uno dei principali ostacoli nella creazione di tessuti spessi e trapiantabili garantisce una rapida anastomosi (connessione) con il sistema circolatorio dell'ospite.Preformando una rete microvascolare funzionale all'interno del bioreattore, il tempo necessario per i vasi ospitanti per invadere l'impianto è drasticamente ridotto.

  • Pacche cardiac:[] I bioreattori per la perfusione che imitano l'ambiente meccanico del cuore—combinando il tratto cilico con il flusso pulsale—sono stati utilizzati per generare macchie cardiache densamente vascolarizzate. Queste patch integrano rapidamente e migliorano la funzione cardiaca nei modelli animali dell'infarto miocardico.
  • Liver Tissue Constructs:[] I sinusoidi del fegato sono naturalmente esposti ad un ambiente di basso taglio e ad alto contenuto di metabolizzanti. I bioreattori progettati per riprodurre questo profilo di flusso specifico hanno permesso la cultura degli epatociti primari accanto alle cellule endoteliali, con conseguente organoidi epatiche stabili e produttrici di bile con canaliculi funzionali.
  • Bone Grafts:[] Lo stress per cervi non solo spinge la formazione dei vasi ma migliora anche la differenziazione delle cellule staminali mesenchymali (MSC) lungo il lignaggio osteogenico.

I progressi significativi nel disegno del bioreattore di perfusione[[] hanno concentrato sulla creazione di gradienti di taglio controllati spaziali per generare sia scomparti ossei che vascolari all'interno di un unico costrutto.

Modelli Organ-on-a-Chip per lo screening della droga

La precisione della perfusione microfluidica rende le piattaforme organo-on-a-chip ideali per studiare gli effetti di stress shear sulla vascolarizzazione in modo ad alto rendimento. Questi dispositivi sono costituiti da microcanali foderati con cellule endoteliali, spesso in co-cultura con altre cellule organo-specifiche (ad esempio, epatociti, cardiomiociti, neuroni).

  • Fidelità biologica:[] Applicando regimi di flusso fisiologici (ad esempio, 5-10 dina/cm2 per arteriosa, 1-4 dina/cm2 per venoso), questi chip possono ricapitolare la funzione dipendente dal flusso della barriera emato-encefalica o la barriera di filtrazione glomerulare molto meglio delle assaggi statici Transwell.
  • Angiogenesis Assays:[] Labs-on-chips permettono ai ricercatori di stabilire con precisione un gradiente chimico (ad esempio VEGF) in presenza di flusso controllato.
  • Modellazione disinfestazione:[] Spiegando l'endotelio ai cicli di flusso patologico (ad esempio, il flusso disturbato da un canale stenotico), i ricercatori possono modellare l'iniziazione dell'aterosclerosi o la vascolatura trapelata di un tumore solido, fornendo una piattaforma per lo screening di farmaci antiangiogeni o vascolari normalizzanti.

Queste piattaforme sono ampiamente recensite in questa recensione dei modelli di organi-on-chip vascolarizzati[[], che evidenzia il ruolo critico delle forze meccaniche nel raggiungimento della rilevanza fisiologica.

Approcci computazionali per ottimizzare la resistenza alla cesoia

Data la complessità delle geometrie 3D e la difficoltà di misurare il WSS sperimentalmente sulla scala cellulare, la modellazione computazionale è diventata uno strumento indispensabile per il design del bioreattore.

Dinamica dei fluidi computazionali (CFD)

Il software CFD può simulare i campi di stress della velocità e della cesoia all'interno di qualsiasi geometria bioreattore o ponteggioso. Inserendo porosità ponteggi, dimensioni pori e viscosità media, i ricercatori possono prevedere regioni di alto e basso taglio prima di produrre il costrutto. Questo permette di progettazione iterativa di reti di canali ponteggi per garantire la distribuzione uniforme del tessuto WSS, riducendo la presenza di "zone morte" in cui i modelli non riescono a formare altamente CF.D

Imparare e Controllo Adaptivo

Integrando sensori in tempo reale (per pH, pO2, glucosio, lattato) con algoritmi di apprendimento automatico, i futuri bioreattori potrebbero regolare dinamicamente i tassi di flusso per mantenere la WSS nella gamma ottimale di angiogeni. Ad esempio, come un tessuto cresce, gli spazi porosi diventano occlusi con nuova matrice e vasi, aumentando la resistenza al flusso e modificando il sistema locale.

Sfide sul percorso della traduzione clinica

Nonostante i progressi significativi, molte sfide rimangono prima che le reti vascolari condizionate da taglio diventino una realtà clinica di routine.

Scalabilità e produzione

La pressione è necessaria per per confondere un tessuto denso e grande, che può diventare immenso, portando al crollo del canale o all'eccessiva cesoia all'ingresso. Sviluppare sistemi di perfusione robusti, sterili e facili da usare adatti per la buona pratica di fabbricazione (GMP) è un ostacolo di ingegneria importante.

Flusso dinamico e Cure meccaniche

Tuttavia, il flusso sanguigno nel corpo è pulsatile e spesso ciclico (sistole/diastole). L'emergente evidenza suggerisce che la frequenza e l'ampiezza del flusso pulsale fornisce segnali aggiuntivi che stabilizzano l'endotelio e promuovono una corretta specificazione arteriosa-venosa.

Integrazione con la Vasculatura Ospitante

Anche i microvesselli più ben formati devono essere in definitiva collegati alla circolazione del paziente. Questo processo, noto inosculation, si basa sulle navi angiogeni dell'ospite che invade l'impianto e si fonde con la rete preformata. La risposta dell'ospite è influenzata dallo stato infiammatorio, la presenza di condizionamento dello sforzo dettagliato del cesoio residuo (che sopprime l'infiammazione), e il rilascio di chemoattractants.

Conclusioni

Tradurre i principi della mechanotransduzione in robusti disegni bioreactor, i ricercatori stanno acquisendo la capacità di guidare le cellule endoteliali per formare le reti complesse, stabili e perfusibili necessarie per la sopravvivenza dei tessuti spessi-tissue.