Использование биореакторов при разработке биоискусственных графтов кровеносных сосудов

Биоискусственные кровеносные сосуды: критическая потребность

Сердечно-сосудистые заболевания остаются ведущей причиной смерти во всем мире, и значительная часть этих случаев требует восстановления или замены сосудов. Аутологичные трансплантаты - с использованием собственных вен или артерий пациента - уже давно являются золотым стандартом для шунтирования операций и других сосудистых вмешательств. Однако многие пациенты не имеют подходящих донорских сосудов из-за предварительного сбора урожая, болезни или анатомических ограничений. Синтетические трансплантаты, изготовленные из таких материалов, как расширенный политетрафторэтилен (ePTFE) или Dacron, предлагают альтернативу, но страдают от плохой долгосрочной проходимости, особенно в приложениях с малым диаметром (менее 6 мм), где тромбогенность и интимная гиперплазия приводят к частому отказу.

Биоискусственные трансплантаты кровеносных сосудов представляют собой трансформирующее решение. Эти живые конструкции объединяют биологические клетки — эндотелиальные клетки, клетки гладкой мускулатуры и фибробласты — с природными или синтетическими каркасными материалами, чтобы имитировать структуру, механику и биологическую функцию нативных сосудов. В отличие от чисто синтетических трансплантатов, биоискусственные трансплантаты имеют потенциал для ремоделирования, роста и интеграции с тканью хозяина, уменьшая осложнения и необходимость в операциях по пересмотру. Центральной технологией, позволяющей создавать эти сложные трансплантаты, является биореактор, устройство, которое обеспечивает контролируемую физиологическую среду, необходимую для развития и созревания тканей.

В этой статье рассматриваются принципы, типы и применение биореакторов при разработке биоискусственных трансплантатов кровеносных сосудов, а также текущие проблемы и будущие направления в этой быстро развивающейся области.

Роль биореакторов в тканевой инженерии

Биореакторные системы — это не просто контейнеры для клеточной культуры; это инженерные системы, предназначенные для воссоздания динамических физических и химических сигналов, присутствующих в организме человека. В сосудистой тканевой инженерии биореакторные системы выполняют несколько важных функций:

Подражая окружающей среде in vivo, биореакторы ускоряют развитие трансплантатов, которые обладают механической прочностью, сосудореактивностью и нетромбогенной поверхностью, необходимой для клинического успеха.

Механобиологические условия в биореакторах

Механическое кондиционирование, возможно, является наиболее важной функцией биореакторов для сосудистых трансплантатов. Без соответствующих сил инженерные сосуды не имеют структурной целостности и функциональных свойств нативных артерий. Применяются три основных механических раздражителя, часто в сочетании:

Стресс стрижка

Стресс сдвига - это сила трения, оказываемая потоком жидкости на люминную поверхность сосуда. В нативных артериях эндотелиальные клетки ощущают напряжение сдвига и реагируют, выравнивая с потоком, повышая антитромботические факторы (например, оксид азота, простациклин) и подавляя молекулы адгезии, которые способствуют прикреплению лейкоцитов. Биореакторы с контролируемой перфузией генерируют регулируемые уровни стресса ламинарного сдвига - обычно в диапазоне 1-20 дина / см2 для артериального применения. Исследования показали, что предварительное кондиционирование эндотелиальных клеток на люминиевых поверхностях с физиологическим напряжением сдвига значительно снижает адгезию тромбоцитов и улучшает проходимость трансплантата на животных моделях.

Пульсатильный поток

Кровоток не устойчив; он пульсирует с каждым ударом сердца, производя циклическое давление и формы волн потока. Биореакторы потока пульсаций воспроизводят это, включая программируемые насосы или поршневые системы, которые создают систолические и диастолические фазы. Циклическое давление растягивает стенку сосуда, применяя циклическое окружное напряжение к гладким мышечным клеткам и фибробластам. Этот штамм стимулирует осаждение коллагена и эластина, выравнивает гладкие мышечные клетки в концентрических слоях и увеличивает давление разрыва и силу удержания шва. Например, исследование 2019 года показало, что трансплантаты, культивируемые под пульсативным потоком в течение 8 недель, развили давление разрыва, превышающее 2000 мм рт.ст., сопоставимое с нативными артериями. Прочитайте исследование на PubMed .

Циклическая потасовка

Даже в отсутствие потока стенка сосуда испытывает циклический деформация от радиального расширения и сокращения артерии. Биореакторы могут применять только осевое или окружное деформирование - с использованием надувных манжетов или механических растягивающих пластин - для исследования штамм-специфических эффектов на поведение клеток. Циклический деформация способствует выравниванию клеток гладкой мышцы перпендикулярно направлению деформации, повышает сократительные белки (например, α-гладкий мышечный актин, кальпонин) и увеличивает жесткость ECM, что имеет решающее значение для достижения вязкоупругих свойств нативных сосудов.

Виды биореакторов для развития сосудистого графта

Разработано несколько конструкций биореакторов, каждая из которых имеет конкретные преимущества и ограничения.Выбор зависит от стадии развития трансплантата, типов клеток и свойств целевых сосудов.

Флакс-шпиннер

Простейшей конструкцией биореактора является колба спиннера, в которой магнитная перемешивающая панель создает турбулентный поток вокруг подвесного каркаса или трансплантата. Эти системы часто используются для первоначального посева клеток на каркасы, поскольку они повышают эффективность прикрепления клеток по сравнению со статическим посевом. Однако схема потока нефизиологическая (безнаправленная турбулентность), и уровни напряжения сдвига трудно контролировать или количественно оценить. Колбы спиннера лучше всего подходят для ранней стадии оптимизации конструкций клеточных каркасов, а не окончательного созревания.

Перфузионные биореакторы

Биореакторы перфузии состоят из замкнутого контура, в котором культуральная среда прокачивается через просвет трансплантата и/или через пористую стенку каркаса (трансмуральный поток). Эта конструкция обеспечивает равномерное доставку питательных веществ по всей толщине стенки, предотвращая центральный некроз в толстых каркасах. Перфузия также позволяет точно контролировать напряжение сдвига путем регулирования скорости потока. Многие биореакторы перфузии включают отдельные отсеки для внутрисветового и внесветового потока, что позволяет дифференциальное кондиционирование эндотелиальных и гладких мышечных слоев.

Биореакторы пульсативного потока

Это самые передовые системы, используемые в настоящее время в сосудистой тканевой инженерии. Биореакторы потока пульсаций включают насос, который генерирует форму волны, имитирующую сердечный цикл, камеру соответствия для подавления скачков давления и резервуар для среднего обмена. Преобразователи давления и датчики потока обеспечивают обратную связь в реальном времени для точной настройки условий. Некоторые конструкции позволяют совместно культивировать эндотелиальные клетки и клетки гладкой мышцы в отдельных отсеках, с просветом, засеянным эндотелиальными клетками и стенкой, населенной клетками гладкой мышцы и фибробластами. Знаковый обзор 2020 года в Природные обзоры кардиологии выделенные пульсативные биореакторы как необходимые для достижения механических и биологических свойств, необходимых для трансплантатов малого диаметра.

Биореакторы вращающихся стенок судна

Разработанные НАСА для микрогравитационной клеточной культуры, вращающиеся стеночные сосуды (RWV) биореакторы имитируют низкосдвигающийся ламинарный поток путем вращения цилиндрического сосуда культуры вокруг горизонтальной оси. Эти биореакторы особенно полезны для формирования сфероидов или агрегированных культур, которые могут использоваться для генерации сосудистых конструкций. Они производят минимальный турбулентный сдвиг, который может принести пользу деликатным клеточным популяциям, таким как стволовые клетки во время дифференциации.

Микрожидкостные биореакторы

Достижения в области микрофабрикации привели к созданию микрожидкостных биореакторов, которые точно контролируют клеточную микросреду в масштабе микрометра. Эти системы используются для изучения взаимодействий клеток и клеток, эндотелиальной барьерной функции и воздействия конкретных механических сил в высокопроизводительном режиме. Хотя микрожидкостные биореакторы еще не масштабированы для производства полноразмерных сосудистых трансплантатов, они бесценны для механистических исследований и скрининга лекарств перед более крупными экспериментами с биореакторами.

Источники и каркасы для биоискусственных трансплантатов

Успех биоискусственного трансплантата кровеносных сосудов зависит не только от биореактора, но и от биологических и структурных компонентов — клеток и каркасов.

Источники клеток

Материалы для каркасов

Проблемы и ограничения

Несмотря на значительный прогресс, остается несколько проблем, прежде чем биоискусственные трансплантаты кровеносных сосудов, культивируемые в биореакторах, станут клинической реальностью.

Будущие направления и инновации

Исследования биореакторов для сосудистых трансплантатов быстро развиваются, и на горизонте есть несколько многообещающих тенденций.

Интеграция с 3D-биопечатью

Трехмерная биопечать может создавать специфические для пациента геометрии трансплантата, включая бифуркации и конические сосуды. Однако печатные конструкции часто не обладают механическими и биологическими свойствами, необходимыми для имплантации. Сочетание биопечати с биореакторами позволяет созревать и укреплять печатный каркас посредством клеточно-опосредованного ремоделирования. Например, биопечатный сосуд с инкапсулированными клетками гладкой мускулатуры можно поместить в перфузионный биореактор, который одновременно обеспечивает питательные вещества и сдвиговое напряжение, приводящее к быстрому уплотнению и образованию ECM.

Персонализированная медицина и биореакторы, специфичные для пациентов

Будущие протоколы биореакторов могут включать данные о конкретных пациентах, такие как кровяное давление, диаметр сосуда и динамика потока, для адаптации механического кондиционирования. Вычислительные модели динамики жидкости могут предсказать модели сдвига напряжения и деформации, необходимые для анатомии отдельного пациента. Биореакторы, оснащенные передовыми датчиками (например, для кислорода в реальном времени, рН, лактата и механической обратной связи) и интегрированные алгоритмы машинного обучения могут автоматически регулировать параметры культуры для оптимизации развития трансплантата для каждого пациента.

Биореакторные системы Situ

Новая концепция - использование in situ или «умных» сосудистых трансплантатов, которые включают биореакторные функции после имплантации. Эти трансплантаты содержат встроенные микроканалы или резервуары, которые выделяют пролекарственные факторы в ответ на изменения потока или давления, эффективно действуя как внутренние биореакторы. Исследование 2022 года в Природная биомедицинская инженерия описало биорезорбируемый трансплантат с интегрированными датчиками и системами доставки лекарств, которые можно контролировать внешне - предшественник полностью автономных трансплантатов.

Кокультура и органоидные модели

Биореакторы также адаптируются для поддержки сложных систем кокультуры за пределами стандартных эндотелиальных и гладкомышечных клеток. Включение перицитов, иммунных клеток и нервных клеток исследуется для лучшего повторного использования микроокружения сосудов. Сосудистые органоиды — самоорганизующиеся 3D-структуры, полученные из плюрипотентных стволовых клеток — могут созревать в биореакторах для создания сосудов малого калибра с иерархической структурой, напоминающей нативные капилляры.

Заключение

Биореакторные системы являются незаменимыми инструментами в разработке биоискусственных трансплантатов кровеносных сосудов. Предоставляя контролируемые механические, химические и физические сигналы, они превращают простые клеточные семенные каркасы в функциональные сосудистые замены с потенциалом превзойти синтетические трансплантаты. Поле сделало замечательные шаги, от ранних экспериментов с колбой спиннера до сложных пульсационных систем, способных производить живые сосуды с почти нативными свойствами. Тем не менее, проблемы тромбоза, интимной гиперплазии, механического соответствия и масштабируемого производства сохраняются. Продолжающиеся инновации, включая интеграцию с биопечатью, специфическим для пациента кондиционированием и технологиями умного трансплантата, обещают преодолеть эти препятствия. По мере того, как технология биореактора продолжает развиваться, биоискусственные трансплантаты будут все чаще становиться жизнеспособным, рутинным вариантом для миллионов пациентов, нуждающихся в восстановлении сосудов.