La capacità di progettare reti vascolari funzionali rimane uno degli obiettivi più impegnativi ma essenziali nell'ingegneria dei tessuti e nella medicina rigenerativa. Senza un'alimentazione di sangue integrata, i tessuti fitti non possono sopravvivere dopo l'impianto a causa della mancanza di ossigeno e sostanze nutritive.

Canali microfabbricati: Strumenti di precisione per l'ingegneria vascolare

I vasi sanguigni naturali si formano attraverso una combinazione di angiogenesi (sprouting from the esistenti) e vasculogenesi (de novo Assembly of endothelial cells) che si basano su un complesso interplay di gradienti chimici, interazioni extracellulari della matrice (ECM) e forze fisiche.

Tecniche di fabbricazione e considerazioni materiali

Diversi metodi di microfabbricazione avanzati sono stati adattati dalle industrie dei sistemi semiconduttori e microelettromeccanici (MEMS) per creare canali vascolari. La scelta della tecnica dipende dalla risoluzione, dal materiale, dalla tridimensionalità e dalla compatibilità con la cultura cellulare.

Litorale morbido

La litografia morbida rimane il metodo più usato per la fabbricazione di canali microfluidici nell'ingegneria dei tessuti. Esso comporta la creazione di uno stampo master utilizzando fotolitografia su un wafer di silicio, quindi la fusione di un elastomero - tipicamente PDMS - sopra lo stampo per produrre una lastra di vetro modellata dopo la polimerizzazione.

Per creare impalcature biodegradabili, la litografia morbida può essere applicata agli idrogeli naturali o sintetici replicando lo stampaggio di materiali sacrificali (ad esempio gelatina, alginato o Pluronic F‐127). Dopo che l'idrogelo è collegato a croce, il modello sacrificale viene sciolto o rimosso termicamente, lasciando dietro una rete di canali cavi.

Fotografia

La fotolitografia utilizza la luce per trasferire un pattern geometrico da una fotomaschera a un materiale fotosensibile (fotoresista) su un substrato. La fotoliografia tradizionale produce modelli 2D, ma impilando strati multipli o utilizzando un'esposizione inclinata può creare strutture 3D rudimentali.

Biostampa 3D

La biostampa a getto d'inchiostro estrusione hanno emerso come metodi flessibili per la fabbricazione di canali vascolari all'interno di idrogeli a cellule staminali. La stampa di un inchiostro sacrificale (ad esempio, gelatina, Pluronic o vetro carboidrato) in un modello desiderato, quindi la incapsula con un idrogelo di massa e successivamente la rimozione del materiale sacrificale, i ricercatori possono creare reti cellulari perfusibili.

Abrasione laser

L'ablazione laser di Femtosecond può indurre microchannel all'interno di idrogeli o tessuti vivi con alta precisione. Le pulsazioni laser vaporizzare il materiale localmente, creando canali piccoli come pochi micrometri di diametro. Questo metodo non richiede uno stampo o un modello sacrificale e può produrre percorsi 3D arbitrari.

Guidare il comportamento cellulare attraverso il disegno del microcanale

Il successo della vascolarizzazione microcanale-guidata dipende da quanto bene le caratteristiche fisiche e chimiche dei canali replicano il microambiente nativo. Le cellule endoteliali (EC) percepiscono la topografia, la rigidità e lo stress della tomaia, e rispondono riorganizzando le strutture del citoscheletro, polarizzando e formando lumen.

Cue fisiche: Topografia, Geometria e Stiffness

La larghezza del canale, l'altezza e la curva dettano l'allineamento delle EC. I canali rettilinei promuovono l'allineamento uniaxial, mentre i biforcazioni incoraggiano lo sviluppo. I canali con i diametri inferiori a 50 μm forza EC per formare una fodera monostrato della parete interna, producendo un lumen brevettato.

Se perfusa a portate fisiologiche (0,5-10 cm−2), i geni di upregulate ECs associati alla omeostasi del vaso, come KLF2 e ]]]eNOS], e si allineano alla funzione di flusso preciso dei ricercatori.

Cue biochimiche: Gradienti del fattore di crescita

L'angiogenesi naturale è guidata da gradienti di fattore di crescita endotelica vascolare (VEGF), fattore di crescita fibroblasta di base (bFGF), e angiopoietins. I microcanali possono essere modificati per presentare questi fattori in modo controllato spaziale, ad esempio, mediante l'integrazione di microparticelle di crescita-fattori nelle pareti dei canali o utilizzando un generatore di gradiente microfluidico.

Interazioni a matrice cellulare

La composizione di ECM all'interno e intorno al canale svolge un duplice ruolo: fornisce supporto strutturale e presenta segnali biochimici. I canali fabbricati in idrogeli ricchi di collagene I e fibrina supportano robuste proliferazione e germogliamento dello spazio perché queste matrici contengono integrin-binding siti (ad esempio, sequenze RGD) e sono rimodellate facilmente da MMPs derivati da cellule cellulari.

Formazione di reti vascolari funzionali

Una volta che le cellule sono seme e i canali sono perfusi, una serie di eventi cellulari porta alla formazione di una rete vascolare collegata e funzionale.

Allineamento cellulare endoteliale e Lumenogenesi

Nel corso dei prossimi 1-3 giorni, essi formano un confluente monostrato che riveste l’intero canale. Nei canali più ampi di ~50 μm, ECs può inizialmente coprire il pavimento e il soffitto, eventualmente bridging per creare un lume cilindrico. La formazione di un monostrato continuo e sigillato è essenziale per la funzione di barriera.

Reclutamento del pericyte e Maturazione vascolare

I microcanali realizzati in idrogelo possono incorporare queste cellule murali nella matrice circostante. Quando il mezzo contiene i fattori di crescita derivati dalla piastrine-BB (PDGF-BB), i pericytes migrano verso il canale EC-lined ed estendono i processi che contattano il tubo endoteliale.

Perfusione e Anastomosi

In definitiva, la rete vascolare progettata deve connettersi alla circolazione dell'ospite (se impiantata) o ad altri porti fluidi (per in vitro[] modelli). I microcanali sono spesso progettati con i vasi di ingresso e di uscita per per la perfusione continua.

Applicazioni in Ingegneria e Modellazione di tessuti

I sistemi di canali microfabricati non sono solo strumenti di ricerca, ma hanno applicazioni pratiche che abbracciano lo sviluppo di farmaci, la biologia delle malattie e le terapie rigenerative.

Piattaforme di Organ‐on-a‐Chip

L'applicazione più matura di questo tipo di microcanale è stata integrata con altre cellule del poligono (ad esempio, epatociti, cardiomiociti, cellule epiteliali polmonari) che ricapitolano la microarchitettura e la funzione degli organi umani, consentendo un test realistico di screening e di tossicità.

Schermatura e tossicologia

I ricercatori possono perfondare i farmaci attraverso il canale e misurare l'integrità della barriera endoteliale, l'inibizione dell'angiogenesi (ad esempio, da farmaci anti-VEGFFroued) o la formazione di trombo. Il piccolo volume di sistemi microfluidici riduce il consumo reagente e l'imaging ad alto contenuto.

Grafts in tessuto vascolare

Per la medicina rigenerativa, l'obiettivo finale è quello di creare un costrutto denso e impiantabile di tessuto pre-vascolare utilizzando microcanale. Le reti pre-vessel possono essere foderate con ECs derivate dal paziente e quindi collegate chirurgicamente alla vascolatura ospitante, riducendo il tempo necessario per l'increspatura del vaso ospite (che spesso non riesce a causa di ipossia).

Sfide e direzioni future

Nonostante i progressi notevoli, diversi ostacoli rimangono prima che la vascolarizzazione microcanale-guida diventi uno strumento clinico di routine.

Scalabilità:[ La maggior parte dei metodi di fabbricazione attuali produce campioni di piccole dimensioni con un numero limitato di canali. La creazione di una rete vascolare che corrisponde alla densità e alla complessità di un organo umano (ad esempio, fegato o rene) richiederà un alto rendimento, tecniche automatizzate.

Stabilità a lungo termine:[[] I canali lineati CE negli idrogeli si degradano spesso nelle settimane a causa della rimodellazione ECM via cellulare. Il bilanciamento della matrice cross-linking per consentire la rimodellamento mentre la prevenzione del collasso è difficile. La co-cultura con i pericytes migliora la stabilità, ma il raggiungimento di una patency a lungo termine (>1 mese) paragonabile ai vasi nativi rimane una sfida.

Integrazione con vascolatura host: Quando gli impianti sono anastomosizzati, vi è spesso un errore nelle proprietà meccaniche (stiffness) e segnali biochimici, che portano alla trombosi o all'iperplasia intima.

Le interazioni cellulari eterotipiche:[] Le reti vascolari reali sono circondate da molteplici tipi di cellule (fibroblasti, macrofagi, cellule nervose) che modulano il comportamento del vaso.

Standardizzazione e riproducibilità:[] I laboratori diversi utilizzano diversi protocolli di fabbricazione e materiali, rendendo difficile confrontare i risultati. Lo sviluppo di procedure operative standard, linee cellulari convalidate e ponteggi microcanale disponibili commercialmente accelererebbe la traduzione.

Conclusioni

I canali microfabricati forniscono una piattaforma versatile e potente per la formazione di rete vascolare. Combinando un preciso controllo geometrico con funzionalità biochimiche, i ricercatori possono ricreare gli aspetti chiave dell'angiogenesi naturale e produrre vasi funzionali e perfusibili in vitro] e in vivo la biologia ha sviluppato una più approfondita