Cesti di vessel di sangue bioartificiali: un bisogno critico

La malattia cardiovascolare rimane la causa principale della morte in tutto il mondo, e una parte sostanziale di questi casi richiedono riparazione o sostituzione vascolare. Innesti autologhi - utilizzando le proprie vene o arterie del paziente - sono stati a lungo lo standard d'oro per interventi di bypass e altri interventi vascolari. Tuttavia, molti pazienti non hanno vasi donatori adatti a causa di raccolti precedenti, malattie o limitazioni anatomiche.

Gli innesti dei vasi sanguigni bioartificiali rappresentano una soluzione trasformativa: questi costrutti vivono combinano cellule biologiche, cellule endoteliali, cellule muscolari lisce e fibroblasti, con materiali naturali o sintetici per imitare la struttura, la meccanica e la funzione biologica dei vasi nativi.

Questo articolo esplora i principi, i tipi e le applicazioni dei bioreattori nello sviluppo di innesti di vasi sanguigni bioartificiali, insieme alle sfide attuali e alle direzioni future in questo campo in rapida evoluzione.

Il ruolo dei bioreattori in Ingegneria del tessuto

I bioreattori non sono semplicemente contenitori per la cultura cellulare; sono sistemi progettati per ricreare i segni fisici e chimici dinamici presenti nel corpo umano.

  • Trasporti di sostanze nocive e ossigeno:[ Le condizioni di cultura statica spesso portano a nuclei necrotici nei tessuti spessi. I bioreattori forniscono perfusione (flusso continuo di medium) per garantire una consegna uniforme di ossigeno e sostanze nutritive e la rimozione dei prodotti di scarto durante l'innesto in via di sviluppo.
  • Stimolazione meccanica:[ I vasi sanguigni nel corpo sono costantemente esposti a forze meccaniche—Sforzo di taglio dal flusso sanguigno, tratto ciclico dalle onde di pressione e tensione circonferenziale.I bioreattori applicano queste forze in modo controllato per l'allineamento diretto delle cellule, la produzione extracellulare della matrice (ECM) e l'organizzazione dei tessuti.
  • pH, temperatura e regolazione del gas:[[] Controllo preciso dei parametri ambientali (CO2, O2, pH, temperatura) mantiene l'efficienza cellulare e promuove la maturazione dei tessuti coerente.
  • Sterility:[] I bioreattori a sistema chiuso riducono il rischio di contaminazione durante i periodi di cultura a lungo termine che possono durare settimane o mesi.

Mimitando l'ambiente in vivo, i bioreattori accelerano lo sviluppo di innesti che possiedono la forza meccanica, la vasoreattività e la superficie non-trombogenica essenziale per il successo clinico.

Condizionamento metanobiologica in Bioreattori

Il condizionamento meccanico è probabilmente la funzione più critica dei bioreattori per innesti vascolari. Senza forze adeguate, i vasi ingegnerizzati non hanno l'integrità strutturale e le proprietà funzionali delle arterie native.

Stress di taglio

Lo stress della piastrina è la forza attrito esercitata dal flusso fluido sulla superficie luminale del vaso. Nelle arterie native, le cellule endoteliali sentono lo stress e rispondono allineando con il flusso, aumentando i fattori anti-trombotici (ad esempio, l'ossido nitrico, la prostaciclina), e le molecole di aderenza che promuovono l'attaccamento controllato del periferato 20.

Flusso polsale

Il flusso sanguigno non è stabile; pulsa con ogni battito cardiaco, producendo forme di pressione ciclica e di flusso. I bioreattori di flusso polsali replicano questo incorporando pompe programmabili o sistemi a pistone che creano fasi sistoliche e diastoliche. La pressione ciclica distende la parete del vaso, applicando ceppo ciclico a cellule muscolari lisce e fibroblasti.

Strainetto ciclabile

Anche in assenza di flusso, la parete del vaso sperimenta ceppo ciclico dall'espansione radiale e dalla contrazione dell'arteria. I bioreattori possono applicare solo ceppo assiale o circonferenziale, utilizzando polsini gonfiabili o piastre di stretching meccaniche, per indagare gli effetti specifici di sforzo sui vasi cellulari.

Tipi di bioreattori per lo sviluppo del ceppo vascolare

Sono stati sviluppati diversi progetti di bioreattore, ciascuno con vantaggi e limitazioni specifiche. La selezione dipende dalla fase di sviluppo dell'innesto, dai tipi di cellule coinvolti e dalle proprietà del recipiente di destinazione.

Fiasche di Spinner

Il design più semplice del bioreattore è il flask del girante, in cui una barra di movimento magnetica crea un flusso turbolento intorno a un ponteggio sospeso o innesto. Questi sistemi sono spesso utilizzati per la cella iniziale che si vede sulle impalcature perché migliorano l'efficienza dell'attacco delle cellule rispetto alla semina statica. Tuttavia, il modello di flusso è non fisiologico (torbo senza direzione), e i livelli di sforzo dello shear sono difficili da controllare o flaffold.

Bioreattori per la perfusione

I bioreattori perfusione sono costituiti da un ciclo chiuso in cui il mezzo culturale viene pompato attraverso il lume dell'innesto e/o attraverso la parete porosa del ponteggio (flusso trasmuale). Questo disegno fornisce una consegna uniforme del nutriente durante l'intero spessore della parete, impedendo necrosi centrale in impalcature spesse.

Bioreattori a flusso polsatile

Questi sono i sistemi più avanzati attualmente utilizzati nell'ingegneria dei tessuti vascolari. I bioreattori di flusso polsatili includono una pompa che genera una forma d'onda che imita il ciclo cardiaco, una camera di conformità a punte di pressione di dispendio e un serbatoio per lo scambio medio. I trasduttori di pressione e i sensori di flusso forniscono un feedback in tempo reale alle condizioni di fine-tuno.

Bioreattori a parete rotanti

Sviluppato dalla NASA per la cultura delle cellule microgravità, i bioreattori a parete rotante (RWV) simulano il flusso a bassa cesura, laminare ruotando un vaso di cultura cilindrica intorno ad un asse orizzontale. Questi bioreattori sono particolarmente utili per formare gli sferoi o le culture aggregate che possono essere utilizzate per generare costrutti vascolari.

Bioreattori microfluidici

I progressi nella microfabrificazione hanno portato a bioreattori microfluidici che controllano con precisione il microambiente cellulare a scala micrometrica. Questi sistemi sono utilizzati per studiare le interazioni cellulari, la funzione di barriera endoteliale e gli effetti di specifiche forze meccaniche in modo ad alto rendimento.

Fonti cellulari e affaffold per alberi bioartificiali

Il successo di un innesto di vasi sanguigni bioartificiali dipende non solo dal bioreattore ma anche dai componenti biologici e strutturali, cellule e impalcature.

Fonti cellulari

  • Celle muscolari endoteliali e lisce e autologo: Derivate dai vasi del paziente (ad esempio, vena sapanica, arteria radiale), queste cellule forniscono compatibilità immunologica. Tuttavia, il raccolto richiede un'ulteriore procedura chirurgica e l'espansione cellulare richiede tempo. I bioreattori possono accelerare la proliferazione e la maturazione per accorciare la linea temporale di produzione.
  • cellule staminali e progenitorie: Indotte cellule staminali pluripotenti (iPSCs) e cellule staminali mesenchimali (MSCs) possono differenziarsi in lineamenti vascolari sotto appropriati strumenti biochimici e meccanici all'interno di bioreattori ] Studi di rientro (ScienceDirect, 2021)PS
  • Le cellule progenitorie endoteliali (EPCs): I PC circolanti possono essere isolati dal sangue periferico e espansi nei bioreattori prima di vedere i lumen innestati. La loro capacità innata di formare un endotelio non trombogeno li rende attraenti per ridurre il fallimento del primo innesto.

Materiali per rivestire

  • I polimeri naturali:[] Il collagene, la fibrina e l'elastina sono ampiamente utilizzati a causa della loro biocompatibilità e dei motivi di adesione cellulare intrinseca. I bioreattori migliorano le proprietà meccaniche di questi idrogeli morbidi, inducendo compattazione e crosslinking cellulare.
  • polimeri sintetici:[ Poli(acido lattico-co-glicolico) (PLGA), policaprolactone (PCL), e poliuretano offrono tassi di degradazione e resistenza meccanica.Queste impalcature spesso richiedono modifiche superficiali (ad esempio, rivestimento con proteine adesive) e beneficiano di perfusione bioreattore a cellule di seme profonde all'interno della struttura porosa.
  • Matrici cellularizzate:[] I vasi donatori animali o umani possono essere decellularizzati per rimuovere i componenti cellulari immunogeni pur mantenendo l'architettura ECM. I bioreattori hanno poi riveduto queste impalcature con cellule paziente-derivate, creando un innesto ibrido che combina ECM nativo con le cellule viventi.

Sfide e limitazioni

Nonostante i progressi significativi, molte sfide rimangono prima che innesti di vasi sanguigni bioartificiali coltivati in bioreattori diventino realtà clinica.

  • Trembogenicità: Anche con un rivestimento endoteliale, le superfici innesto possono attivare piastrine se l'endotelio è incompleto o disfunzionale. Raggiungere un monostrato endoteliale confluente richiede una densità di semina ottimale e precondizionamento della taglio, che non tutti i protocolli bioreattore raggiungono in modo affidabile.
  • Iperplasia intima: Questo ispessimento patologica dello strato vascolare più interno è una causa principale di insufficienza tardiva dell'innesto. Gli innesti bioartificiali possono sviluppare l'iperplasia intima se le cellule muscolari lisce sono inappropriate o se vi è un errore di conformità meccanica tra l'innesto e l'arteria nativa.
  • Richiedendo proprietà meccaniche fisiologiche:[ Le arterie native presentano una curva di stress-straina non lineare con alta conformità a basse pressioni e irrigidimento ad alte pressioni—caratteristiche impartite dalla rete elastin e collagene. Molte forze bioartificiali sono troppo rigide (che causano la conformità malfunzionamento) o troppo deboli (ritorno).
  • Scalabilità e costo:[ La produzione di innesti di livello clinico richiede bioreattori che possono mantenere simultaneamente la sterilità e le condizioni coerenti per i più costrutti. I sistemi attuali sono spesso personalizzati per la ricerca e la traduzione per la buona pratica di fabbricazione (GMP) i dispositivi conformi è non banale.

Le direzioni e le innovazioni future

La ricerca sui bioreattori per innesti vascolari sta avanzando rapidamente, con diverse tendenze promettenti all'orizzonte.

Integrazione con Bioprinting 3D

La biostampa tridimensionale può creare geometrie specifiche per il paziente, comprese biforcazioni e navi affusolate. Tuttavia, i costrutti stampati spesso mancano delle proprietà meccaniche e biologiche necessarie per l'impianto. La combinazione di biostampa con bioreattori permette che il ponteggio stampato sia maturato e rinforzato attraverso la rimodellazione cellulare.

Medicina personalizzata e Bioreattori paziente-speciali

I futuri protocolli bioreattori possono incorporare dati specifici per i pazienti, come la pressione sanguigna, il diametro dei vasi e le dinamiche di flusso, per personalizzare il condizionamento meccanico. I modelli di fluidodinamica computazionale possono prevedere lo stress e i modelli di sforzo necessari per l'anatomia di un paziente.

In Situ Bioreattori

Un concetto emergente è l'uso di innesti vascolari "smart" che incorporano funzioni bioreattore-come dopo l'impianto. Questi innesti contengono microcanali incorporati o serbatoi che rilasciano fattori pro-guarigione in risposta a flussi o cambiamenti di pressione, agendo efficacemente come bioreattori interni Uno studio 2022 in [FLT1]

Modelli co-cultura e organoide

I bioreattori sono anche adattati per supportare sistemi di co-cultura complessi oltre le cellule muscolari endoteliali e lisce standard. L'integrazione di periciti, cellule immunitarie e cellule nervose viene esplorata per meglio ricapitolare il microambiente del vaso.

Conclusioni

I bioreattori sono strumenti indispensabili per lo sviluppo di innesti di vasi sanguigni bioartificiali. Fornendo sistemi meccanici, chimici e fisici, trasformano semplici ponteggi in sostituzioni vascolari funzionali con il potenziale di innesti sintetici disperformarsi. Il campo ha fatto notevoli passi avanti, dai primi esperimenti di flasche di spinner ai sofisticati sistemi pulsati in grado di produrre vasi viventi con proprietà di crescita quasi-native.