Сосудистая ткань инженерия для регенерации скелетных мышц

Введение в сосудистую тканевую инженерию для скелетных мышц

Тяжелые повреждения скелетных мышц, вызванные травмой, резекцией опухоли или врожденными дефектами, представляют собой серьезную клиническую проблему. Травматические травмы, особенно те, которые наблюдаются в военных боях или дорожно-транспортных происшествиях, могут привести к объемной потере мышц (VML), где огромное количество разрушенной ткани превышает естественную регенеративную способность организма. Эта потеря приводит к постоянным функциональным нарушениям, фиброзу и часто ампутации. Современные хирургические стандарты ухода, такие как перенос мышечных лоскутов и физиотерапия, предлагают ограниченные решения, часто торгуя одним функциональным дефицитом для другого и не в состоянии восстановить сложную сократительную архитектуру нативной мышцы. Этот постоянный клинический разрыв катализировал область сосудистой тканевой инженерии (VTE).

Вместо того, чтобы полагаться исключительно на присущие организму репаративные механизмы, VTE стремится создать функциональные, трансплантируемые ткани ex vivo , явно устраняя основное узкое место в крупномасштабной выживаемости тканей: необходимость немедленного и надежного кровоснабжения. Центральным принципом этого подхода является то, что создание предварительно сформированной микрососудистой сети в пределах спроектированной конструкции является не просто улучшением, но предпосылкой для клинического успеха. Без этой инфраструктуры даже самые сложные клеточные терапии или системы доставки факторов роста потерпят неудачу из-за ограничений массового транспорта, приводящих к сосудистому некрозу ядра имплантата. Сближение науки о биоматериалах, биологии стволовых клеток и передовых методов микрофабрикации в настоящее время приближает это амбициозное терапевтическое видение к клинической реальности.

Критическая роль сосудистой сети в регенерации мышц

Скелетные мышцы являются одной из самых васкуляризированных тканей в организме человека. Каждый отдельный миофибр живет в пределах 100-200 микрометров от капилляра, расстояние, определяемое пределом диффузии кислорода. Эта интимная связь гарантирует, что высокие метаболические потребности сокращающихся мышц - огромное количество аденозинтрифосфата (АТФ), кислорода и глюкозы - удовлетворяются без перерыва, в то время как отходы, такие как молочная кислота и углекислый газ, эффективно удаляются. В контексте тканевой инженерии репликация этого плотного капиллярного слоя не подлежит обсуждению для чего-либо за пределами тонкого, миллиметрового имплантата.

Помимо простого переноса питательных веществ, сосудистый эндотелий играет очень активную регулирующую роль в регенерации тканей посредством процесса, известного как ангиокринная сигнализация. Эндотелиальные клетки (ЭК) не являются пассивными трубами; они секретируют динамический портфель факторов роста, хемокинов и внеклеточных матриксных компонентов, которые непосредственно влияют на поведение соседних мышечных стволовых клеток (спутниковых клеток) и клеток-предшественников. Например, сигналы, полученные из ЕС, такие как лиганды Notch и фактор роста гепатоцитов (HGF), поддерживают сателлитное клеточное спокойствие и активацию во время восстановления травмы. Поэтому инженерная сосудистая сеть должна выполнять двойные роли: канал для объемного потока и сигнальная платформа, которая организует сложную клеточную хореографию миогенеза. Отсутствие этой сигнальной интеграции часто приводит к хаотичной, фиброзной ткани, а не к организованным функциональным мышцам.

Основные стратегии для инженерных сосудисто-мышечных

Появилось несколько различных, но взаимодополняющих стратегий создания сосудистого компонента инженерной мышцы. Эти подходы часто объединяются синергетически для преодоления конкретных ограничений каждого отдельного метода.

Методы преваскуляризации

Предваскуляризация направлена на создание функциональной микрососудистой сети in vitro до имплантации или in vivo, используя организм в качестве естественного биореактора. В пробирке предваскуляризация включает совместное культивирование эндотелиальных клеток пуповинной вены (HUVEC) или эндотелиальных клеток-предшественников (EPCs) с поддержкой периваскулярных клеток, таких как мезенхимальные стволовые клетки (MSCs) в биосовместимой структуре. В течение от дней до недель эти клетки самособираются во взаимосвязанные капиллярные сети посредством васкулогенеза и ангиогенеза. Основным преимуществом является создание сети «подключай и играй», которая теоретически может напрямую подключаться к циркуляции хозяина при имплантации.

В естественных условиях преваскуляризация использует другой подход, используя ангиогенные механизмы организма для васкуляризации конструкции. Обычная техника включает в себя встраивание каркаса в артериовенозную (AV) петлю, где хирургически созданная вена и артерия помещаются в защищенную камеру. Сильные гемодинамические силы и градиенты фактора роста, генерируемые AV-петлей, стимулируют плотную, быструю и надежную васкуляризацию из собственных сосудов пациента. Эта техника производит сосуды, которые немедленно перфузируются, но она требует двухэтапной хирургической процедуры и связана с более высокой степенью фиброза и заболеваемости донорского участка.

Фактор роста и доставка химиотракторов

Использование сигнальных молекул организма является мощным инструментом для стимулирования васкуляризации. Сосудистый эндотелиальный фактор роста (VEGF) является доминирующим фактором ангиогенеза, способствующим пролиферации, миграции и образованию трубок. Однако доставка одного болюса VEGF часто приводит к образованию протекающих, дисфункциональных и переходных сосудов. Более физиологический подход требует системы доставки, которая имитирует естественные сигнальные каскады.

• Многофакторная доставка: Контролируемая доставка VEGF и тромбоцит-производного фактора роста (PDGF-BB) способствует созреванию сосудов путем набора перицитов, в то время как основной фактор роста фибробластов (bFGF) поддерживает стабильность EC. Ангиопойетин-1 (Ang-1) используется для создания спокойных, стабилизированных сосудов, устойчивых к сосудистой утечке.
• Контролируемые системы высвобождения: Инкапсулирование факторов роста в полимерных микросферах (PLGA, альгинат), включение их в аффинно-связывающие гидрогели (гепарин-функционализированные гели), или привязка их к каркасной матрице позволяет осуществлять устойчивую, пространственно-временно контролируемую доставку. Это снижает требуемую дозу и ограничивает системные побочные эффекты.
• Геновая терапия: Доставка генетического материала, кодирующего проангиогенные факторы, является многообещающей альтернативой. Использование невирусных или вирусных векторов (например, аденоассоциированного вируса или AAV) для трансфекции клеток внутри конструкции может привести к долгосрочному, локализованному производству терапевтических белков, таких как VEGF или FGF.

Клеточные терапевтические стратегии

Выбор клеток имеет первостепенное значение для успешной реваскуляризации. Область перешла от использования первичных клеток к изучению более надежных и масштабируемых источников клеток.

Эндотелиальные клетки-предшественники (EPC): Циркулирующие EPC, полученные из костного мозга или периферической крови, обладают превосходной способностью к постнатальному васкулогенезу по сравнению со зрелыми ECs. Их можно мобилизовать, выделить и расширить для аутологичного использования, снижая риск иммунного отторжения.

Мезенхимальные стволовые клетки (МСК): МКС стали краеугольным камнем ВТЭ благодаря своим замечательным трофическим и иммуномодулирующим свойствам. Они естественным образом дифференцируются в перициты, фресочные клетки, которые стабилизируют зарождающиеся эндотелиальные трубки. Кроме того, они выделяют богатый секретом проангиогенных (VEGF, HGF, bFGF) и противовоспалительных факторов, которые создают высоко регенеративную микросреду.

Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPSC)-производные клетки: ИПСК, специфичные для пациентов, предлагают теоретически безграничный источник полностью аутологичных эндотелиальных клеток и клеток гладкой мышцы. В то время как дифференциация ИПСК в зрелые, функциональные капиллярно-образующие ИК является сложным и дорогостоящим процессом, недавние достижения в определенных протоколах дифференциации быстро преодолевают эти препятствия. ИПСК-производные ИПК имеют огромные перспективы для создания персонализированных васкуляризированных тканей без этических проблем, связанных с эмбриональными стволовыми клетками.

Биоматериал для улучшения ангиогенеза

Эшафот — это шаблон, на котором формируется сосудистая сеть, её физические и химические свойства критически влияют на прорастание сосудов, стабильность и интеграцию.

• Пористость и взаимосвязь: Полоски должны иметь высокую пористость (>80%) и большие, взаимосвязанные поры (>100 мкм), чтобы обеспечить инфильтрацию клеток, вспышку кровеносных сосудов и массовый транспорт питательных веществ.
• Механические свойства: Жесткость каркаса (эластичный модуль) напрямую влияет на поведение клеток. Мышечная ткань имеет низкий модуль (~12-20 кПа). Мягкие, вязкоупругие гидрогели способствуют миогенезу и капиллярному образованию по сравнению с жесткими, синтетическими полимерами.
• Биофункционализация: Химия поверхности каркаса должна имитировать нативный внеклеточный матрикс (ECM). Включение клеточно-адгезивных лигандов, таких как пептиды RGD (из фибронектина) обеспечивает закрепление. Факторы роста привязок (VEGF-миметические пептиды) или ECM-миметические компоненты (ламинин, фрагменты коллагена IV) могут активно направлять формирование сосудов.

Передовые материалы и технологии изготовления

Выбор биоматериала и точность его изготовления определяют архитектуру и конечную функцию инженерной сосудистой сети.

Биоматериалы для скелетных мышечных структур

Инженеры имеют широкую палитру материалов на выбор, широко классифицированных как натуральные или синтетические. Натуральные полимеры, такие как фибрин и коллаген , остаются золотым стандартом для исследований васкуляризации из-за их присущей биоактивности и способности быстро реконструироваться клетками. Decellularized muscle ECM, или Матригель , обеспечивает сложный коктейль факторов роста и структурных белков, которые тесно имитируют родную нишу.

Синтетические полимеры, такие как поли(лактид-ко-гликолид) (PLGA), поликапролактон (PCL) и полиэтиленгликоль (PEG), обеспечивают больший контроль над механической прочностью, скоростью деградации и последовательностью партии. Однако им не хватает биологических сигналов и часто их необходимо функционализировать с помощью биоактивных мотивов. Композитные материалы, такие как электроспуновые нановолокна PCL, покрытые фибриновыми гидрогелями, пытаются использовать преимущества обоих классов, обеспечивая механическую целостность наряду с разрешительным биоинтерфейсом. Недавние достижения в полиуретановых мочевины (PUUs) также показали перспективность, предлагая эластичность и воздухопроницаемость, которые близко соответствуют нативному соблюдению мышц.