Table of Contents

Вазкулярная тканевая инженерия направлена на создание функциональных заменителей кровеносных сосудов для решения растущего бремени сердечно-сосудистых заболеваний, которые остаются ведущей причиной смерти во всем мире. В то время как аутологичные трансплантаты были золотым стандартом, они ограничены заболеваемостью и доступностью донорских участков. Синтетические трансплантаты плохо работают в приложениях малого диаметра из-за тромбоза и интимальной гиперплазии. Нановолоконные каркасы появились в качестве перспективного решения, потому что они тесно имитируют наномасштабную архитектуру родного внеклеточного матрикса, способствуя адгезии клеток, пролиферации и дифференциации. В этой статье рассматриваются инновационные подходы с использованием нановолокон в сосудистой тканевой инженерии, охватывающие методы изготовления, выбор материала и стратегии для повышения эффективности трансплантата.

Основы нанофибровых лесов для сосудистого применения

Нановолокна представляют собой непрерывные нити диаметром от десятков до сотен нанометров. Их высокое соотношение площади поверхности к объему, взаимосвязанная пористость и настраиваемые механические свойства делают их идеальными для воссоздания иерархической структуры нативных кровеносных сосудов. Эшафот должен поддерживать эндотелиализацию на световой поверхности, обеспечивать механическую прочность, чтобы противостоять гемодинамическим силам, и позволять инфильтрации и ремоделированию гладкомышечных клеток. Нановолоконные маты могут быть разработаны с выровненными или случайными ориентациями волокон, чтобы направлять выравнивание клеток и организацию тканей.

Биоматериалы, используемые в производстве нанофибры

Как натуральные, так и синтетические полимеры электроспунируются в нановолокна. Природные полимеры, такие как коллаген, эластин, желатин и фибрин, обеспечивают отличную биосовместимость и биоактивность, но часто не имеют механической прочности. Синтетические полимеры, такие как поликапролактон (PCL), полимолочная кислота (PLA), поли(лактико-гликолевая кислота) (PLGA), и полиуретан обеспечивают настраиваемые скорости деградации и механические свойства. Смеси и сополимеры сочетают преимущества: например, смеси PCL-коллагена улучшают смачиваемость и адгезию клеток при сохранении структурной целостности. Кроме того, децеллюляризованный внеклеточный матрикс может быть обработан в нановолокнах для сохранения нативных биохимических сигналов.

Передовые технологии изготовления для нанофибровых лесов

Электроспиннинг остаётся наиболее широко используемым методом благодаря своей простоте, универсальности и способности производить непрерывные нановолокна с контролируемым диаметром и выравниванием, однако последние инновации расширили возможности производства нановолокон для сосудистых трансплантатов.

Коаксиальный и эмульсионный электроспиннинг

Коаксиальный электроспиннинг использует двухигольную установку для производства нановолокон с ядром. Это позволяет инкапсулировать биологически активные молекулы (например, факторы роста, лекарства, гены) в ядре, в то время как оболочка обеспечивает структурную поддержку и контролируемое высвобождение. Эмульсионное электроспиннинг достигает аналогичных структур с ядром без специализированных сопл. Эти методы позволяют устойчивую доставку сосудистого эндотелиального фактора роста (VEGF) или гепарина для содействия эндотелиализации и предотвращения тромбоза.

Melt Electrospinning Writing (альбом)

Расплав электроспиннингового письма (MEW) использует полимерные расплавы, а не растворы, устраняя токсичность растворителей и позволяя точное осаждение волокон в компьютерном управляемом рисунке. MEW может производить упорядоченные каркасы с определенной геометрией пор и выравниванием волокон, что выгодно для создания трубчатых конструкций с окружно выровненными волокнами, которые имитируют медиальный слой артерий. Отсутствие остаточных растворителей также улучшает биосовместимость.

Самосборка и разделение фазы

Пептидные амфифилы и другие молекулы могут самоорганизовываться в нановолокна в физиологических условиях. Эти гидрогели образуют инъекционные каркасы, заполняющие нерегулярные дефекты. Термально индуцированное разделение фаз (ТИПС) в сочетании с выщелачиванием производит нановолокнистые пены с высокой пористостью. Хотя они менее распространены, чем электроспиннинг, эти методы предлагают уникальные преимущества для гелеирования in situ или создания трехмерных конструкций с градиентными размерами пор.

Ключевые преимущества нанофибровых лесов в сосудистых графтах

  • Биокомплектуемость и сниженный иммунный ответ: Нанофибровые каркасы могут быть изготовлены из натуральных материалов или модифицированных поверхностных синтетических полимеров для представления клеточных адгезивных лигандов. Это минимизирует реакции инородного тела и способствует интеграции трансплантата.
  • Усиленный рост клеток и эндотелиализация: Топография нановолокна имитирует базовую мембрану кровеносных сосудов, поощряя быстрое присоединение и миграцию эндотелиальных клеток. Выровненные волокна направляют ориентацию эндотелиальных клеток вдоль направления кровотока, снижая риск турбулентности и тромбоза.
  • Таможенность механических свойств: При регулировке диаметра волокна, выравнивания, пористости и полимерного состава давление разрыва, соответствие и удержание швов каркаса могут быть адаптированы для соответствия нативным артериям. Например, двухслойные каркасы с плотным внутренним слоем и пористым внешним слоем имитируют интиму и авантюры.
  • Контролируемое разложение и ремоделирование: Синтетические полимеры деградируют посредством гидролиза, и скорость их деградации может быть разработана для соответствия темпам образования новых тканей. Природные полимеры могут быть сшиты для настройки стабильности. Постепенный перенос механической нагрузки с каркаса на неотиссуму улучшает долгосрочную проходимость.

Инновационные стратегии для повышения эффективности сосудистого графта

Помимо изготовления базовых каркасов, исследователи разработали сложные подходы для преодоления постоянных проблем тромбоза, интимальной гиперплазии и неполной эндотелиализации.

Биоактивные покрытия и модификации поверхности

Поверхности нанофибра могут быть функционализированы с помощью гепарина, доноров оксида азота или эндотелиальных клеточно-специфических пептидов (например, REDV, YIGSR) для активного ингибирования адгезии тромбоцитов и содействия захвату эндотелиальных клеток. Для присоединения этих молекул без ущерба для морфологии волокон используется обработка плазмой, послойная сборка и ковалентная иммобилизация. Исследования показали, что гепарин-функционализированные нановолоконные трансплантаты PCL снижают тромбогенность in vivo.

Включение факторов роста и цитокинов

Устойчивая локальная доставка VEGF, основного фактора роста фибробластов (bFGF) или фактора роста тромбоцитов (PDGF) из нановолокон ускоряет эндотелиализацию и инфильтрацию клеток гладкой мышцы. Системы доставки двойного фактора роста могут координировать ангиогенез и созревание стенок сосудов. Например, VEGF, высвобождаемый из светового слоя, способствует быстрому эндотелиальному покрытию, в то время как PDGF из внешнего слоя поощряет миграцию и ремоделирование клеток гладкой мышцы.

Сеяние клеток и предварительная кондиционирование

Посеивание аутологичных эндотелиальных клеток или мезенхимальных стволовых клеток на нановолоконные каркасы перед имплантацией улучшает эффективность трансплантата. Динамическая культура в биореакторах, которые применяют циклическое механическое напряжение или сдвиговой стресс, улучшает выравнивание клеток и осаждение внеклеточного матрикса. Предварительно кондиционированные трансплантаты показывают более высокие показатели проходимости на животных моделях по сравнению с клеточными каркасами.

Доклинический и клинический прогресс

Несколько нановолоконных сосудистых трансплантатов были оценены в доклинических исследованиях. Примечательным примером является использование электрозапускаемых трансплантатов PCL в моделях крыс и овец, демонстрирующих проходимость до 12 месяцев с доказательствами эндотелиализации и инфильтрации клеток гладкой мускулатуры. Совсем недавно двухслойный электрозапускной трансплантат, сочетающий PCL и коллаген, показал многообещающие результаты в модели сонной артерии с минимальной интимальной гиперплазией. Исследователи из Университета Питтсбурга разрабатывают биоабсорбируемый трансплантат нановолокна, который полностью реконструируется в нативную ткань в течение шести месяцев.

Клинический перевод сталкивается с препятствиями: расширение производства при сохранении консистенции, обеспечение стерилизации без повреждения биоактивных компонентов и получение одобрения регулирующих органов. Однако некоторые продукты находятся в ранних клинических испытаниях. Например, в Европе исследуется биоразлагаемая нановолокнистая каркасная стенка для детской кардиохирургии. NIH финансировал исследования по электроспун-васкулярным трансплантатам , которые подчеркивают потенциал для готовой доступности.

Будущие направления и новые технологии

Заглядывая вперед, область сходится с другими передовыми технологиями для создания умных, персонализированных сосудистых трансплантатов.

3D-биопечать с нанофибрами

Комбинирование электроспиннинга с 3D-печатью позволяет изготавливать иерархические структуры, которые интегрируют сетки нановолокна с более крупными арматурными волокнами. Это может производить совместимые трансплантаты с настраиваемой геометрией для отдельных пациентов. Исследователи также разрабатывают гибридные принтеры, которые одновременно экструдируют гидрогели с клеточной нагрузкой и электроспинные нановолокна для создания живых сосудистых конструкций.

Проводящие и отзывчивые нанофибры

Включение проводящих полимеров, таких как полианилин или углеродные нанотрубки, в нановолокна позволяет электрическую стимуляцию семенных клеток, что может улучшить выравнивание и созревание клеток гладкой мышцы. Кроме того, полимеры с памятью формы могут использоваться для создания саморасширяющихся стентов или трансплантатов, которые развертываются при достижении температуры тела. Такие реагирующие материалы могут быть вызваны внешними магнитными полями или ультразвуком.

Антимикробная и противовоспалительная функция

Инфекции остаются серьезным осложнением сосудистых трансплантатов. Загрузка нановолокон антибиотиками, наночастицами серебра или антимикробными пептидами снижает риск инфекции. Противовоспалительные агенты, такие как дексаметазон, также могут быть включены для модуляции реакции инородного тела и предотвращения чрезмерного фиброза.

Персонализированные и точные подходы к медицине

Специфические для пациента каркасы могут быть спроектированы с использованием данных визуализации (КТ, МРТ) для соответствия размерам и механическим свойствам целевого сосуда. Кроме того, аутологичные индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPSC) могут быть дифференцированы в эндотелиальные клетки и засеяны на трансплантат, сводя к минимуму иммунный отторжение. Эта комбинация персонализированного дизайна и клеточной терапии представляет собой конечную цель сосудистой тканевой инженерии.

Заключение

Технология Нанофибра произвела революцию в области сосудистой тканевой инженерии, предоставив каркасы, которые тесно имитируют нативный внеклеточный матрикс. Достижения в технологиях изготовления, включение биоактивных агентов и предварительное кондиционирование клеток привели к доклиническим успехам и прокладывают путь для клинического перевода. Будущие инновации в 3D-биопечати, проводящих материалах и персонализированной медицине обещают еще больше улучшить долговечность и функциональность инженерных кровеносных сосудов. Благодаря постоянному многодисциплинарному сотрудничеству сосудистые трансплантаты на основе нановолокна могут стать стандартным лечением для пациентов с сердечно-сосудистыми заболеваниями, уменьшая зависимость от аутологичных трансплантатов и улучшая долгосрочные результаты.

Для дальнейшего чтения о последних достижениях см. этот обзор электроспуновых сосудистых трансплантатов в Acta Biomaterialia и обсуждение стратегий доставки факторов роста в Advanced Science .