Die Implantation von Fibrin Gel auf Maus Lung Lung spezifischen Angiogenese Studieren

Summary

Recapitulation of the organ-specific microenvironment, which stimulates local angiogenesis, is indispensable for successful regeneration of damaged tissues. This report demonstrates a novel method to implant fibrin gels on the lung surface of living mouse in order to explore how the lung-specific microenvironment modulates angiogenesis and alveolar regeneration in adult mouse.

Abstract

Neue bedeutende Fortschritte in der Stammzellforschung und der Biotechnologie Techniken haben große Fortschritte bei der Nutzung von Biomaterialien zur Regeneration und Reparatur von Schäden in einfachen Gewebe in den orthopädischen und Zahn Feldern. Versuche, die Strukturen und Funktionen von komplexeren dreidimensionalen (3D) Organen wie Lunge regenerieren waren nicht sehr erfolgreich, da die biologischen Prozesse der Organregeneration wurden nicht gut erforscht. Es wird deutlich, dass die Angiogenese, die Bildung neuer Blutgefäße, spielt eine Schlüsselrolle bei Organregeneration. Die neu gebildeten Gefäßsystemen liefern nicht nur Sauerstoff, Nährstoffen und verschiedenen Zellbestandteile, die für die Organregeneration erforderlich sind, aber auch lehr Signale an die Regeneration von lokalen Geweben. Deshalb, um erfolgreich zu regenerieren Lungen bei einem Erwachsenen, ist es notwendig, die lungenspezifische Mikroumgebungen, bei denen Angiogenese Antriebe Regeneration lokalen Lungengewebe zu rekapitulieren. Obwohl Conventional in vivo Angiogenese-Assays, wie subkutane Implantation von extrazellulärer Matrix (ECM) -reiche Hydrogele (zB Fibrin oder Kollagengelen oder Matrigel – ECM Proteingemisch durch Engelbreth-Holm-Swarm-Maus-Sarkom-Zellen sezerniert), werden in großem Umfang genutzt, um das zu erforschen allgemeine Mechanismen der Angiogenese, lungenspezifischen Angiogenese ist nicht gut charakterisiert, weil Verfahren zur orthotope Implantation von Biomaterialien in der Lunge wurden nicht gut etabliert. Das Ziel des Protokolls ist es, eine einzigartige Methode einzuführen, um Fibrin-Gel auf der Lungenoberfläche von lebenden erwachsenen Maus implantiert werden, der eine erfolgreiche Wiederholung der Host Lunge abgeleitete Angiogenese innerhalb des Gels. Dieser Ansatz ermöglicht es Forschern, die Mechanismen, mit denen die lungenspezifischen Mikroumgebung steuert Angiogenese und alveoläre Regeneration in normalen und pathologischen Bedingungen zu erforschen. Seit implantierte Biomaterialien Release und liefern physikalischen und chemischen Signale zu benachbarten lung Gewebe kann Implantation dieser Biomaterialien auf kranken Lunge möglicherweise normalisieren die angrenzenden krankem Gewebe, so dass die Forscher neue Therapieansätze für verschiedene Arten von Lungenerkrankungen zu entwickeln.

Introduction

Das übergeordnete Ziel dieses Protokolls ist es, ein Verfahren einzuführen, um Fibrin-Gel auf der Lungenoberfläche der erwachsenen Maus, die Forscher die molekularen Mechanismen der Lungenkreislauf und alveoläre Entwicklung charakterisieren können implantieren, und dieses Wissen, um biomimetische Materialien zu entwickeln in der Lage zu nutzen von rekapituliert physiologische Lungengefäß und alveoläre Bildung auf verschiedene Lungenkrankheiten zu behandeln.

Mehr als 35 Millionen Amerikaner leiden an chronischen Lungenerkrankungen wie chronisch obstruktive Lungenerkrankung und Lungenfibrose. Diese Patienten haben lang anhaltende chronische respiratorische Symptome wie Kurzatmigkeit, Brustenge, quälende Husten und Müdigkeit, die ihr tägliches Leben ^1-3 erheblich beeinträchtigen. Trotz einer großen Aufwand zu wirksamen Therapien für diese Lungenerkrankungen zu entwickeln, derzeit gibt es keine Heilung; deshalb ist die Lebensqualität für diese Patienten schlecht und wirtschaftlichen und menschlichen Kosten sind hallogh ^4-7. Derzeit ist eine Lungentransplantation die einzige Möglichkeit, Patienten im Endstadium einer chronischen Lungenerkrankungen zu speichern. Aufgrund der Knappheit von Transplantatspender, hohe Kosten, schweren Komplikationen und geringe Überlebensrate ^8-11 Jedoch ist die Transplantation keine optimale Ansatz. Neue schnelle Fortschritte im Tissue Engineering Techniken konnten die Forscher implantierbaren Lungen von Bestandsauffüllung dezellularisierte ganze Lunge mit verschiedenen Arten von Vorläuferzellen oder induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS-Zellen) ^12,13 bioengineer. Allerdings sind diese biotechnologisch Lunge nur für einige Stunden nach der Implantation ^12,14,15 Funktions in Wirtstiere. Verwendung von Biomaterialien, die komplexen Strukturen und Funktionen der Lunge zu regenerieren ist ebenfalls recht erfolgreich. Dies kann, weil die wichtigsten biologischen Prozesse, die erwachsenen Lungenregeneration regeln wurden nicht gut erforscht. In der Lunge ist die Bildung des vaskulären Systems eines der frühesten und bedeutendsten Ereignisse during Entwicklung und Regeneration ^16-21. Neu in der Lunge liefern nicht nur Sauerstoff, Nährstoffen und verschiedenen Zellkomponenten für Organbildung erforderlich ist, sondern auch lehrreich Regulationssignale zur umgebenden Zellen ^22-25 gebildeten Gefäßsystemen. So spielt die Angiogenese eine Schlüsselrolle bei der regenerativen Alveolarisierung bei erwachsenen Lungen ^24,26,27. Zusätzlich trägt deregulierten Angiogenese zu chronischen Lungenerkrankungen, wie chronische obstruktive Lungenerkrankung (COPD) ^28, bronchopulmonale Dysplasie (BPD), ^21-23, und Lungenfibrose ^29. Um somit effizienter Strategien für das Engineering Lungen oder der Behandlung von chronischen Lungenerkrankungen zu entwickeln, ist es notwendig, die grundlegenden Mechanismen der lungenspezifischen Angiogenese zu verstehen.

Jedes Organ zeigt außergewöhnliche mechanische und chemische Eigenschaften, die zwischen physiologischen und pathologischen Bedingungen ^30-33 unterscheiden. Diese organspezifische microenvirongen regeln Endothelzellen Verhaltensweisen und orchestrieren Gefäßnetzwerkbildung in einer organspezifisch ^24,34-36. Um somit effizienter Strategien für Lungenregeneration zu entwickeln, wobei der Mechanismus lungenspezifischen Angiogenese Basiswert muss verstanden werden. Während herkömmliche In-vivo-Angiogenese-Assays, wie subkutane Implantation Hydrogel wurden ausgiebig für Angiogeneseforschung ^37-39 verwendet wurde, müssen diese Methoden nicht rekapitulieren organspezifischen Angiogenese. Kürzlich wurde ein neues Verfahren auf Matrigel in einer elastischen Form auf der Mauslunge implantieren ist entwickelt worden und dargestellt, die Blutgefäße und Lungenepithelzellen erfolgreich rekrutieren in die Gele ^22. Dieser einzigartige Ansatz wird es den Forschern ermöglichen, den Mechanismus der lungenspezifischen Angiogenese sowie Wechselwirkungen zwischen Blutgefäßen und nicht-vaskulären Lungenzellen in physiologischen und pathologischen Bedingungen zu erforschen. Seit 1) Matrigel ist nicht geeignet für die klinische Anwendung; 2) die Elastic Form, um das Gel kann Wechselwirkungen zwischen Hydrogelen und Wirtslungengewebe und 3) die elastische Form an der Lunge möglicherweise verursacht eine Beeinträchtigung der Lungenfunktion und Schmerzen während der Atmung beeinflussen geworfen, als mehr klinisch relevanten Ansatz verwendet, ein 3D-Fibrin-Matrix, die angiogenen Faktoren (vaskulärer endothelialer Wachstumsfaktor (VEGF) / basischen Fibroblasten-Wachstumsfaktor (bFGF)) wurde auf der Mauslunge ohne Casting in der elastischen Form implantiert worden und hat Gast Lunge abgeleitete Angiogenese erfolgreich rekapituliert. Fibrin-Gel, Polymerfibrillen aus Thrombin gespaltenen Fibrinogen erzeugt wird, wird zum Einfangen einer Vielzahl von angiogenen Faktoren wie bFGF und VEGF die Angiogenese in vivo ^40,41 beschleunigen bekannt. Wegen ihrer Regenerationsfähigkeit und biologisch abbaubare Natur ⁴² wird Fibringel verbreitet auf dem Gebiet des Tissue Engineering eingesetzt.

Dieser Artikel stellt einen neuen und einzigartigen Ansatz zur Fibringel auf der Lungenoberfläche lebender adul implantierent-Maus und zeigt, dass die Host-Lungen-abgeleitete Angiogenese in den Gelen in vivo rekapituliert. Diese Methode, die Forscher ermöglicht, lungenspezifischen Angiogenese zu untersuchen, wird wahrscheinlich zur Entwicklung neuer Therapieansätze für verschiedene Arten von Lungenerkrankungen führen und die Bemühungen um adulten Lunge erfolgreich regenerieren erheblich voranbringen.

Protocol

HINWEIS: Die in-vivo-Tierstudie wurde in strikter Übereinstimmung mit den Empfehlungen in der Bedienungsanleitung für die Pflege und Verwendung von Labortieren der National Institutes of Health durchgeführt. Das Protokoll wurde überprüft und von der Animal Care und Verwenden Committee von Boston Kinderkrankenhaus (Protokoll-Nummern: 13-10-2526R, 14-02-2568R) zugelassen. Alle Arzneistoffe in diesem Protokoll verwendet werden pharmazeutischer Qualität und diese Medikamente werden unter sterilen Bedingungen …

Representative Results

Um zu untersuchen, ob Host Lungen abgeleiteten Gefäßbildung im Inneren der Biomaterialien auf die Lunge implantiert rekapituliert Fibringele mit großen angiogenetischen Faktoren VEGF und bFGF supplementiert (0, 10 und 100 ng / ml) wurden auf die Oberfläche von lebenden Maus-Lungen implantiert berichtet mit Matrigel 22. Fibringele 47, die diese angiogene Wachstumsfaktoren enthalten, wurden hergestellt, wie in 1a gezeigt. Nach Thorakotomie wurde ein kleiner Bereich der linken Lun…

Discussion

Dieser Artikel stellt eine neue Methode zur Biomaterialien auf der Lungenoberfläche lebender erwachsener Mäuse zu implantieren. Mit diesem System wird die Host-Lungen-abgeleitete Angiogenese erfolgreich im Material rekapituliert. Dieses System ermöglicht es den Forschern, um Übersprechen zwischen den Endothelzellen zu erforschen, andere Zellen (beispielsweise Epithelzellen, mesenchymale Zellen, Immunzellen) und verschiedene ECM-Komponenten, die für die lokale Angiogenese ^50-53 und alveolären Re…

Materials

Name of Material/ Equipment	Company	Catalog Number	Comments/Description
Fibrinogen from human placenta	Sigma	F4883	For fabrication of fibrin gel
Thrombin from bovine plasma	Sigma	T9549	For fabrication of fibrin gel
Recombinant mouse VEGF 164	R&D	493-MV	For supplementation to fibrin gel
Recombinant mouse bFGF	R&D	3139-FB	For supplementation to fibrin gel
Rodent Intubation Stand	Braintree Scientific INC	RIS 100	For intubation
Fiber-Optic Light Source	Fisher Scientific	12-565-35	For intubation
20G Elastic catheter	B.Braun	4251652-02	For intubation
MiniVent Ventilator	Harvard Apparatus	CGS-8009	For ventilation
Stemi DV4 Steromicroscope	Fisher Scientific	12-070-515	For surgey
Absobable suture	Ethicon	PDP304	Surgical suture
Antibody against CD31	BD Biosciences	553370	Immunohistochemistry
Antibody against AQP5	Abcam	AB78486	Immunohistochemistry
Antibody against SP-B	Millipore	AB40876	Immunohistochemistry