Влияние топографии каркаса на поведение и рост сосудистой клетки

Введение

Вазулотканая инженерия направлена на создание функциональных заменителей кровеносных сосудов для восстановления или замены поврежденных артерий и вен. Центральной задачей является проектирование каркасов, которые не только обеспечивают структурную поддержку, но и активно направляют клеточное поведение для регенерации функционального сосуда. В то время как большое внимание уделяется биохимическим сигналам, физическая архитектура каркаса — его топография — играет столь же ключевую роль. Поверхностные особенности на микро- и наноуровне могут направлять, как эндотелиальные клетки выстилают просвет, как клетки гладкой мускулатуры организуют среду и как новые капилляры прорастают в окружающую ткань. Оптимизация топографии каркаса поэтому имеет важное значение для содействия быстрой эндотелиализации, предотвращения тромбоза и достижения долгосрочной проходимости. Эта статья исследует влияние топографии каркаса на поведение и рост сосудистых клеток, обзор фундаментальных механизмов, недавние результаты исследований и стратегии проектирования, которые используют топографию для улучшения результатов в тканевых сосудистых трансплантатах.

Что такое Scaffold Topography?

Топография лесов описывает физический поверхностный ландшафт биоматериала в масштабах длины от десятков нанометров до нескольких микрометров. Ключевые топографические особенности включают хребты, канавки, ямы, поры, столбы, волокна и случайную или упорядоченную шероховатость поверхности. В нативных тканях сосудистые клетки находятся на подвальной мембране и в пределах внеклеточного матрикса (ЭКМ), которые представляют собой сложный топографический ландшафт. Например, субэндотелиальная подвальная мембрана проявляет фибриллярный коллаген с периодической полосатостью и мелкой наномасштабной текстурой, в то время как медиальный слой содержит обхватно выровненные клетки гладкой мускулатуры, встроенные в организованную коллагеновую и эластиновую сеть, обеспечивая контактное руководство, которое влияет на адгезию клеток, выравнивание, миграцию, пролиферацию и дифференцировку.

Масштаб и структура топографии имеют решающее значение. Микромасштабные особенности (1-100 мкм) сопоставимы с размерами клеток и в первую очередь влияют на форму и ориентацию клеток. Наномасштабные особенности (1-1000 нм) взаимодействуют с рецепторными кластерами, интегринами и фокальными спайками, влияя на внутриклеточные сигнальные пути. Комбинация обоих масштабов часто производит наиболее благоприятные клеточные реакции. Достижения в технологиях изготовления, таких как фотолитография, электронно-лучевая литография, электроспиннинг и трехмерная печать, позволяют точно контролировать топографию каркаса, позволяя исследователям систематически изучать, как специфические поверхностные архитектуры модулируют поведение сосудистых клеток.

Механизмы топографического влияния

Клетки чувствуют и реагируют на топографические особенности посредством процесса, называемого контактным руководством. Клеточная мембрана и рецепторы интегрина исследуют поверхность, а топографические сигналы изменяют кластеризацию интегрина, сборку очаговой адгезии и цитоскелетное напряжение. Эти события запускают пути механотрансдукции, которые регулируют экспрессию генов и функцию клеток.

Интегрин-медиированная адгезия и сигнал киназы фокальной адгезии

Когда клетки сталкиваются с топографическими особенностями, рецепторы интегрина связываются с адсорбированными белками ECM на поверхности каркаса. На пространственное распределение этих сайтов связывания влияет топография. Например, нанорезы могут заставлять интегрины в линейные массивы, способствуя удлиненным фокусным спайкам, которые выравниваются вдоль направления канавки. Это выравнивание фокусных спайков приводит к пассивной ориентации актинового цитоскелета и, в конечном счете, всего клеточного тела. Сигнальная молекула фокальной адгезионной киназы (FAK) активируется, инициируя нижестоящие пути, такие как ERK1/2 и PI3K/Akt, которые регулируют пролиферацию и выживание.

Цитоскелетное ремоделирование и клеточная форма

Цитоскелет клетки, в частности актиновые нити и микротрубочки, реорганизуется в ответ на топографические ограничения. На выровненных волокнистых каркасах клетки гладкой мускулатуры переходят от синтетического, пролиферативного фенотипа к сократительному, тихому фенотипу, что желательно для сосудистых трансплантатов. И наоборот, на случайных топографиях клетки часто принимают распредвал, менее организованную морфологию. Степень удлинения клеток коррелирует с функциональными маркерами, такими как экспрессия α-гладких мышечных актинов и секреция компонентов ECM.

Ядерная деформация и экспрессия генов

Недавние исследования показывают, что топографические сигналы могут непосредственно влиять на ядро. Узкие канавки или мелкие поры могут деформировать ядерную оболочку, изменяя организацию хроматина и доступность транскрипционного фактора. Эта ядерная механотрансдукция обеспечивает прямую связь между внешними физическими сигналами и изменениями экспрессии генов, связанными с клеточным циклом, дифференцировкой и воспалением.

Влияние на сосудистое клеточное поведение

Различные типы сосудистых клеток реагируют на топографические сигналы. Понимание этих клеточных реакций имеет решающее значение для проектирования каркасов, которые повторяют слоистую архитектуру кровеносных сосудов.

Эндотелиальные клетки

Эндотелиальные клетки (ЭК) выстилают внутреннюю поверхность кровеносных сосудов и образуют селективный барьер. На каркасах, предназначенных для сосудистых трансплантатов, быстрое и организованное покрытие ЭЦ необходимо для предотвращения тромбоза и интимальной гиперплазии. Топография сильно влияет на выравнивание ЭЦ, миграцию, пролиферацию и образование развязок.

Гладкие мышечные клетки

Гладкие мышечные клетки (ГМС) в медиальном слое артерий проявляют сократительный фенотип и выровнены по окружности. В сосудистой тканевой инженерии ГМС должны ориентироваться на формирование плотного, организованного слоя для обеспечения механической прочности и регулирования диаметра сосуда.

Макрофаги и воспалительные клетки

Воспалительный ответ хозяина на топографию каркаса может влиять на сосудистую интеграцию. Поляризация макрофагов модулируется поверхностными особенностями. Например, поверхности с микрорезонками шириной 10-20 мкм способствуют противовоспалительному фенотипу M2, в то время как случайная шероховатость может стимулировать провоспалительный ответ M1. Среда с преобладанием M2 поддерживает конструктивное ремоделирование и ангиогенез.

Влияние на ангиогенез и образование кровеносных сосудов

Ангиогенез — прорастание новых капилляров из существующих сосудов — имеет основополагающее значение для регенерации тканей и выживания толстых сконструированных тканей. Топография каркасов может либо способствовать, либо ингибировать ангиогенез в зависимости от конструкции.

Продвижение эндотелиального прорастания

Нанотопография, имитирующая фибриллярную среду ECM, может стимулировать образование и прорастание эндотелиальных клеток кончика. Например, нанопиллары и наногриды увеличивают расширение филоподии и кластеризацию интегрина на эндотелиальных клетках кончика, повышая их способность вторгаться в каркас. В исследованиях in vivo с использованием имплантатов с выровненными микроканалами показана повышенная плотность капилляров по сравнению со случайными пористыми каркасами.

Формирование сосудистой сети

Для формирования функциональной сосудистой сети необходимо координировать несколько типов клеток. Скаффолды с комбинацией микрокрупок и нанопор могут направлять как ECs, так и SMCs в организованные трубчатые структуры. Эксперименты по совместной культуре показывают, что SMCs, выровненные по топографическим признакам, производят паракринные сигналы, которые стабилизируют трубки EC, уменьшая регрессию.

Роль особенности геометрии и пространства

Капиллярный вспениватель оптимален, когда размеры пор колеблются от 30 до 150 мкм, а межсоединённость высока. Однако имеют значение и топографические узоры на стенках пор. Кровы и хребты внутри пор могут направлять ориентацию прорастающих сосудов. Исследования Графта показывают, что световые поверхности с окружно выровненными наноособенностями снижают тромбогенность и ускоряют эндотелиальное покрытие, а авантюритные поверхности со случайной топографией способствуют вспенению сосуда-хозяина.

Дизайн-соображения для Scaffold Topography

Эффективная конструкция каркаса для сосудистых применений требует тщательного выбора топографических параметров.Ключевые факторы включают размер, форму, пространственную организацию, химию поверхности и механические свойства.

Размер и масштаб особенности

Особенности в диапазоне нанометров (10-500 нм) взаимодействуют непосредственно с интегралами и влияют на ранние события адгезии. Особенности микрометра (1-100 мкм) влияют на форму и выравнивание клеток. Иерархические структуры, объединяющие обе шкалы, часто полезны. Например, электрошоковые каркасы с выровненными волокнами (микрометр) и поверхностной наношерстью (50-200 нм) способствуют выравниванию SMC и сократительному фенотипу.

Тип шаблона

Анизотропные узоры (резки, решетки, выровненные волокна) производят контактное наведение и являются предпочтительными для создания ориентированных клеточных слоев. Изотропные узоры (ямы, столбы, случайная шероховатость) полезны для содействия адгезии клеток и распространению в трех измерениях. Гибридные узоры могут использоваться для конкретных зон каркаса: светящаяся поверхность с выровненными нанорезами для выравнивания EC и внешний слой со случайной пористостью для интеграции хозяина.

Пространственная структура и несколько слоев

Природные кровеносные сосуды имеют сложную слоистую структуру с различными топографиями в каждом слое. Для тканевых трансплантатов исследователи изучают двуслойные или трехслойные каркасы, где каждый слой имеет различный топографический рисунок. Например, двухслойные каркасы могут иметь внутренний слой с окружно выровненными микрогравами для SMC и внешний слой с продольно выровненными волокнами для авантюрных фибробластов.

Свойства материала

Модуль Янга и поверхностная энергия материала влияют на клеточный ответ на топографию. Более жесткие материалы (например, полимолочной кислоты, поликапролактона) могут поддерживать тонкие топографические особенности, но могут вызывать инородный ответ организма. Мягкие материалы (например, желатин, гиалуроновая кислота) более совместимы, но могут быстро разрушаться. Ковалентная функционализация поверхностной топографии с клеточно-клеящими пептидами (например, RGD) может усиливать прикрепление клеток без маскировки физических сигналов.

Уровень деградации и стабильность

Топографические особенности должны сохраняться достаточно долго, чтобы направлять образование тканей. Разлагаемые полимеры должны быть выбраны таким образом, чтобы каркас сохранял желаемую топографию в течение первых нескольких недель, а затем рассасывался по мере замены новой ткани. Для сосудистых трансплантатов характерна медленная деградация в течение 6-12 месяцев.

Современные исследования и будущие направления

Достижения в технологии изготовления позволяют создавать все более сложные топографические конструкции. Подходы следующего поколения включают динамические поверхности, которые изменяют топографию в ответ на клеточную активность или внешние стимулы, а также интеграцию топографических и биохимических градиентов.

Динамическая топография и умные леса

Полимеры и гидрогели с памятью формы могут переключаться между топографическими состояниями, когда они вызваны температурой, рН или ферментативной активностью. Например, каркас может первоначально представлять плоскую поверхность для облегчения посева клеток, а затем переход к выгнутому узору после имплантации для выравнивания. Ранние исследования in vivo показывают улучшение удержания клеток и организации с такими динамическими поверхностями.

3D биопечать сосудистой топографии

Биопечать на основе экструзии может одновременно депонировать клетки и создавать выровненные микроволокна, что позволяет точно размещать топографические сигналы в трех измерениях. Соосная печать позволяет изготавливать многослойные трубчатые структуры с различными топографиями в каждом слое. Исследователи теперь печатают полые каналы с внутренней микротекстурой, чтобы направлять выравнивание EC под потоком.

Машинное обучение для оптимизации топографии

Высокопроизводительный скрининг топографических библиотек и алгоритмов машинного обучения может определить оптимальные поверхностные особенности для конкретных реакций сосудистых клеток. Этот подход ускоряет открытие новых топографий, которые максимизируют охват ЕС при минимизации гиперплазии SMC.

Проблемы клинического перевода

Хотя это и многообещающе, перевод топографических конструкций каркасов на клиническое использование сталкивается с препятствиями в масштабируемости, стерилизации и одобрении регулирующих органов. Поддержание наноразмерных функций на крупных трансплантатах является сложной задачей с современными методами производства. Кроме того, модели на животных часто дают разные результаты, чем исследования in vitro из-за сложной микросреды in vivo. Текущие клинические испытания тканеинженерных сосудистых трансплантатов сосредоточены на достижении долгосрочной проходимости; включение оптимизированной топографии является ключевым следующим шагом.

Заключение

Топография каркасов является мощным и настраиваемым параметром для направления поведения сосудистых клеток и поддержки образования кровеносных сосудов. Путем имитации иерархической архитектуры естественных сосудистых тканей инженерные поверхности могут контролировать выравнивание клеток, фенотип и ангиогенную активность. Тщательный дизайн топографических особенностей - с учетом масштаба, рисунка, материала и динамики - приведет к более эффективному тканевому сосудистому трансплантату, способному восстанавливать функции в пораженных артериях и венах. Будущие междисциплинарные усилия, объединяющие материаловедение, клеточную биологию и передовое изготовление, продолжат раскрывать весь потенциал топографического руководства для регенеративной медицины.