Сосудистая ткань инженерия для реконструкции мышечного лоскута в хирургии
Сосудистая тканевая инженерия является инновационной областью, которая направлена на восстановление или замену поврежденных кровеносных сосудов и тканей. В контексте реконструкции мышечных лоскутов эта технология играет решающую роль в улучшении хирургических результатов и выздоровлении пациентов.
Основы реконструкции мышечного лоскута
Реконструкция мышечного лоскута является краеугольным камнем реконструктивной хирургии, используемой для восстановления крупных дефектов тканей, вызванных травмой, онкологической резекцией, врожденными аномалиями или хроническими ранами. Процедура включает в себя перенос сегмента здоровой мышцы — наряду с его находящейся на поверхности кожей, жиром или фасцией и, что критически важно, его родным сосудистым педикулем — в место реципиента. Перенесенная мышца приносит свое собственное кровоснабжение, позволяя ей выжить в месте, где местная сосудистая система была скомпрометирована. Мышечные лоскуты могут быть классифицированы как педикированные лоскуты, которые остаются прикрепленными к их первоначальному кровоснабжению и вращаются в дефект, или свободные лоскуты, которые полностью отделены и затем повторно соединяются через микрохирургические анастомозы артерий и вен на месте реципиента. Успех любого лоскута полностью зависит от установления и поддержания адекватной перфузии.
Без надежного кровоснабжения перенесенная ткань будет подверга
Историческая эволюция и микрохирургические достижения
За последние пять десятилетий микрохирургические методы значительно созрели. Хирурги теперь регулярно собирают свободные закрылки из ректусных абдоминозов, latissimus dorsi, грацилиса или антеролатерального бедра и успешно пересасывают их с помощью сосудов диаметром 1-2 мм. Несмотря на эти достижения, отказ клапанов из-за сосудистой недостаточности остается серьезной проблемой. Венозная застой, артериальный тромбоз и плохой капиллярный врастание в периферию лоскута могут все поставить под угрозу результаты. В ответ исследователи обратились к сосудистой тканевой инженерии - дисциплине, которая объединяет биоматериалы, клеточную биологию и биофизику для строительства или регенерации функциональных кровеносных сосудов.
Цель состоит не только в поддержке выживания лоскутов, но и в создании сосудистых сетей, которые легко интегрируются с кровообращением хозяина и активно реконструируются с течением времени.
Васкулярный вызов в хирургии флэпа
Когда переносится мышечный лоскут, его насыщенное кислородом кровоснабжение полностью зависит от проходимости микрососудистых анастомозов. Ишемическое время — интервал между отслоением лоскута и восстановлением кровотока — должно быть сведено к минимуму, чтобы предотвратить необратимое повреждение тканей. Даже при идеальных анастомозах дистальные части большого лоскута могут получать неадекватную перфузию, потому что исходная микроваскулатура не может мгновенно расширяться для удовлетворения метаболических потребностей передаваемой ткани. Это явление, известное как явление «отсутствия потока», способствует частичному некрозу лоскута и может скомпрометировать эстетические и функциональные результаты. Сосудистая тканевая инженерия предлагает стратегии для решения этих ограничений: предваскуляризация каркасов, развертывание проангиогенных факторов и создание искусственных каналов, которые могут использоваться в качестве привитых педикул.
Кроме того, у пациентов с обширным сосудистым заболеванием, предшествующей лучевой терапией или рубцовыми кроватями реципиента доступность подходящих сосудов реципиента может быть ограничена. В таких случаях тканеинженерные сосудистые трансплантаты (ТЭВГ) могут обеспечить альтернативный источник притока или оттока. Аналогично, когда лоскут должен быть собран из участка с неадекватным коромыслом, инженерный сосуд может использоваться для удлинения или усиления сосудистого поводка. Эти приложения вызывают настоятельную потребность в надежных, биосовместимых и механически надежных тканевых кровеносных сосудах.
Основные принципы Vascular Tissue Engineering
Сосудистая тканевая инженерия опирается на три столпа: каркасы, клетки и сигналы. Эшафот обеспечивает структурный шаблон, который направляет формирование сосудов и поддерживает прикрепление клеток, пролиферацию и дифференцировку. Он должен быть биосовместимым, способствовать эндотелиализации и постепенно разрушаться по мере ремоделирования новых тканей. Биологические сигналы - факторы роста, цитокины и небольшие молекулы - доставляются контролируемым пространственно-временным образом для направления ангиогенеза, артериогенеза и созревания. Наконец, такие клетки, как эндотелиальные клетки (ЭК), клетки гладкой мышцы (SMC), перициты и мезенхимальные стволовые клетки (МСК) засеиваются на каркасе для строительства стенки сосуда и установления функционального барьера.
Для реконструкции мышечного лоскута инженерная сосудистая сосудистая система может принимать форму одного сосудистого канала (например, артериовенозной петли) или всей микрососудистой сети, которая может быть интегрирована в лоскут.
Техники и инновации в сосудистой инженерии
3D биопечать сосудистой сети
Аддитивное производство произвело революцию в изготовлении сложных геометрий. В сосудистой тканевой инженерии 3D биопечать позволяет точно осаждать нагруженные клетками гидрогели и жертвенные материалы для создания разветвленных сосудистых деревьев. Биопринтеры на основе экструзии могут строить слоистые структуры с различными люменами, в то время как лазерные или струйные методы позволяют получать высокое разрешение для особенностей капиллярного масштаба. Исследователи продемонстрировали печать перфузионных каналов в гидрогелевой матрице, которые могут быть выстланы эндотелиальными клетками и подключены к циркуляции хозяина. Для применения лоскутов такие печатные сети могут быть непосредственно имплантированы в мышечный дефект, обеспечивая немедленную перфузию, в то время как нативные сосуды растут в каркас.
Перспективной стратегией является «предваскуляризация» биоразлагаемого каркаса в хорошо васкуляризированном участке (например, пах или оментум) до передачи. Эшафот становится населенным микрососудами
Подходы на основе стволовых клеток
Стволовые клетки предлагают возобновляемый источник васкулогенных клеток. Эндотелиальные клетки-предшественники (EPCs), полученные из периферической крови или костного мозга, являются домом для очагов ишемии и включаются в зарождающиеся сосуды. Мезенхимальные стволовые клетки (MSCs) также широко используются из-за их паракринной активности; они выделяют коктейль из проангиогенных цитокинов, которые привлекают эндотелиальные клетки хозяина и стимулируют образование трубок. В контексте мышечных клапанов, MSC могут быть доставлены либо системно, либо локально. Было показано, что локальная инъекция в паренхиму лоскута или включение в гидрогелевое покрытие вокруг сосудистого педикла, может усиливать плотность капилляров и уменьшать некроз в ишемических клапанах.
Кроме того, индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPSCs) могут быть дифференцированы в эндотелиальные
Биоматериалы и дизайн каркасов
Выбор биоматериала имеет решающее значение. Природные полимеры, такие как коллаген, фибрин, желатин и гиалуроновая кислота, обеспечивают нативные сигналы внеклеточного матрикса (ECM) и отличную биосовместимость. Синтетические полимеры, такие как поликапролактон (PCL), полимолочной кислоты (PLA) и полиуретан, предлагают настраиваемые механические свойства и скорости деградации. Для сосудистой инженерии общая стратегия заключается в создании двухслойного каркаса: внутренний слой, который сопротивляется тромбозу и способствует эндотелиализации, и внешний слой, который поддерживает инфильтрацию гладкомышечных клеток и обеспечивает механическую прочность. Децеллюляризированные каркасы ECM, полученные из свиных или человеческих кровеносных сосудов, сохраняют нативную архитектуру и биоактивные молекулы, но они также могут страдать от неполной рецеллюляризации.
Гибри
Фактор роста и генная терапия
Контролируемое высвобождение ангиогенных факторов роста необходимо для руководства сосудистой сборкой. Коэффициент роста сосудов (VEGF) является главным регулятором ангиогенеза, способствующим пролиферации эндотелиальных клеток, миграции и образованию труб. Коэффициент роста фибробластов (FGF) и Коэффициент роста, полученный из тромбоцитов (PDGF)], стабилизирует вновь образованные сосуды путем набора перицитов и клеток гладкой мускулатуры. Коэффициенты роста могут быть включены в каркасы посредством инкапсуляции в микросферах, иммобилизации на поверхности или генной инженерии клеток для их сверхэкспрессии. Например, генетически модифицированные MSC для секреции VEGF, как было показано, ускоряют неоваскуляризацию в ишемических клапанах.
Другой развивающийся метод — редактирование
Преимущества сосудистой тканевой инженерии в хирургии хлопьев
Интеграция сосудистой тканевой инженерии в реконструкцию мышечного лоскута предлагает множество клинических преимуществ. Во-первых, она может снизить риск частичного или полного некроза лоскута . Обеспечивая дополнительный источник перфузионного некроза лоскута — либо в качестве предваскуляризированного каркаса, либо в качестве инженерного педикла — ишемическая нагрузка на перенесённую мышцу снижается. Во-вторых, инженерные сосуды могут обеспечить использование более крупных, более сложных лоскутов , которые в противном случае были бы слишком ишемическими, чтобы выжить. Это особенно важно при реконструкции головы и шеи, где большие дефекты требуют надежной васкуляризации и где сосуды-реципиенты могут быть повреждены при предшествующем облучении.
В-третьих, персонифицированные сосудистые каналы могут быть изготовлены из собственных клеток пациента, устраняя необходимость иммуносупрессии и снижа
Клинические применения и новые тематические исследования
В то время как клиническое принятие остается ограниченным, несколько исследований, подтверждающих концепцию, иллюстрируют потенциал. В 2017 году исследователи сообщили об успешном использовании тканевого сосудистого трансплантата (TEVG), изготовленного из поликапролактона, усиленного коллагеном в качестве педикла для свободного клапана в модели свиньи; клапан выжил и трансплантат оставался патентом в течение нескольких недель. Испытания на людях были сосредоточены на TEVG для сосудистого доступа и врожденной хирургии сердца, но та же технология адаптируется для реконструктивной хирургии. Например, клиническое исследование в Японии использовало децеллюляризированную свиную артерию в качестве сосудистого трансплантата у трех пациентов, подвергающихся свободной реконструкции лоскута нижней конечности; трансплантаты оставались патентом без признаков аневризмы в 12 месяцев. Другой подход - это артериовенозная петля - хирургически созданный шунт между артерией и веной с использованием интерпозиционного трансплантата.
Эта петля
Кроме того, концепция in situ сосудистой тканевой инженерии набирает обороты. Вместо того, чтобы предварительно строить сосуд в лаборатории, клиницист имплантирует децеллюляризованный или синтетический каркас в нужном месте и полагается на регенеративную способность хозяина васкуляризировать его с течением времени. Этот подход был протестирован в нескольких клинических случаях реконструкции костей и мягких тканей, и результаты обнадеживают, хотя долгосрочные данные скудны. Использование спреев стволовых клеток, богатой тромбоцитами плазмы и гидрогелей, нагруженных VEGF, наносимых непосредственно на лоскутный педикл во время операции, также показало перспективу в улучшении анастомотической проходимости и уменьшении спазма сосудов.
Проблемы и будущие направления
Несмотря на эти достижения, остаются существенные препятствия. Иммунный отказ аллогенных клеток или ксеногенных компонентов ECM может поставить под угрозу выживаемость трансплантата. Долгосрочная проходимость является еще одной проблемой — многие TEVG терпят неудачу в течение нескольких месяцев из-за интимальной гиперплазии, тромбоза или кальцификации. Механическое несоответствие между полимерным трансплантатом и нативной артерией создает зоны нарушенного потока, которые способствуют утолщению интимы. Масштабируемость и стоимость являются значительными барьерами для клинического перевода.
Производство персонализированного TEVG занимает недели клеточной культуры и включает в себя несколько этапов контроля качества, что делает процесс дорогостоящим и логистически сложным. Готовые продукты, такие как децеллюляризованные аллотрансплантаты или полностью синтетические трансплантаты, которые могут быть эндотелиализованы in vi
Регуляторные препятствия также замедляют прогресс. Продукты, разработанные на основе тканей, классифицируются как комбинированные продукты такими агентствами, как FDA и EMA, требующие как биологических, так и аппаратных путей утверждения. Для рационализации регуляторного обзора необходимы стандартизированные протоколы тестирования механических свойств, деградации и иммуногенности. нанотехнологии для создания поверхностей, которые противостоят тромбозу и способствуют эндотелиализации; платформы, которые моделируют сосудистую систему клапанов и позволяют проводить высокопроизводительный скрининг проангиогенных препаратов; и стратегии на основе CRISPR для создания клеток, устойчивых к гипоксии и окислительному стрессу. сенсорная технология в инженерных сосудах может позволить в режиме реального времени контролировать перфузию клапанов, оксигенацию и метаболический статус, предупреждая хирургов о
Заключение
Сосудистая тканевая инженерия стоит на пересечении регенеративной медицины и реконструктивной хирургии. Для реконструкции мышечного лоскута она предлагает путь к преодолению фундаментального ограничения ишемии тканей — способствуя созданию более крупных, более сложных и более надежных лоскутов. В то время как проблемы, связанные с иммунной совместимостью, механической стабильностью и производственным масштабом, сохраняются, прогресс в биопечати, биологии стволовых клеток и биоматериалах ускоряется. По мере созревания этих технологий они обещают трансформировать способность хирурга восстанавливать форму и функцию для пациентов с разрушительной потерей тканей. Будущее реконструкции лоскутов лежит не только в микрохирургическом навыке оператора, но и в способности инженерировать сосудистые сети, которые неотличимы от тех, что обеспечивает природа.
При продолжении исследований и клинической валидации сосудистая тканевая инженерия станет важным инструментом в арсенале реконструктивного хирурга.
Внешние ссылки: Для дальнейшего чтения см. обзор по сосудистой тканевой инженерии для реконструктивной хирургии Биоматериалы , отчет NIH о применении стволовых клеток в хирургии лоскутов PubMed и данные клинических испытаний по децеллюляризированным сосудистым трансплантатам Природная биомедицинская инженерия .