基于光学相干断层扫描的可降解支架组织工程血管发育的无损监测
Summary
可生物降解高分子支架组织工程血管脉冲刺激实时培养过程中的非破坏性和长周期监测的步进协议本文介绍了光学相干层析成像方法。
Abstract
具有类似天然血管的结构和机械性质的工程化血管移植有望满足日益增长的动脉旁路需求。用脉冲刺激对可降解高分子支架基组织工程血管 (TEBVs) 的生长动力学和重塑过程进行表征, 对血管组织工程具有重要意义。光学成像技术是监测工程组织血管化的有力工具, 能够实现实时文化中的高分辨率成像。本文通过光学相干层析成像 (OCT) 对 TEBVs 在长期培养中的生长和重塑进行了无损、快速的实时成像策略。评价几何形态学, 包括血管重塑过程、壁厚、不同培养时间点的 TEBV 厚度比较和脉动刺激的存在。最后, OCT 提供了实际的可能性, 实时观察在重建组织中的聚合物在脉动刺激或不和在每一个容器段, 通过与评估聚合物降解使用扫描电子显微镜 (SEM) 和偏光显微镜。
Introduction
组织工程血管 (TEBVs) 是最有希望的材料作为理想的血管移植1。为了使移植物在临床上有用, 以类似的结构和功能特性作为本机血管, 多项技术的设计, 以维持血管功能2,3。虽然在植入和 III 期临床研究4中, 已有工程血管可接受的通畅率, 但长期培养和高成本也显示了监测 TEBVs 发展的必要性。对仿生化学-机械环境中 TEBVs 细胞外基质 (ECM) 的生长、重塑和适应过程的理解可以为血管组织工程的发展提供重要的信息。
跟踪小直径工程船舶发展的理想策略5应为无损、无菌、纵向、三维和定量。TEBVs 在不同的培养条件下可以用这种成像方式评估, 甚至包括血管移植前后的变化。描述生活工程船的特征的策略是必要的。光学成像技术允许组织沉积和生物材料的可视化和量化。其他优点是可以使深组织和无标签成像与高分辨率6,7。然而, 图像特异分子和不易接近的光学设备用于实时监测是一个重要的实际障碍, 限制了非线性光学显微学的广泛应用。光学相干层析成像 (OCT) 是一种用于指导心脏介入治疗8的广泛应用的临床工具, 具有血管内成像方式。文献报道了 OCT 的方法, 以评估 TEBVs9,10的壁厚, 加上肯定成像方式的血管组织工程研究。然而, 没有观察到工程血管生长和重塑的动力学。
本论文详细介绍了四周培养的生物降解高分子支架 TEBVs 的制备方法。人脐动脉血管平滑肌细胞 (HUASMCs) 在生物反应器中扩展并播种成多孔可降解羟基酸 (PGA) 支架。生物降解聚合物在组织工程的临时基质中发挥作用, 并具有一定的降解率11。为了保证支架降解与新组织形成之间的适当匹配, ECM 和 PGA 支架是有效血管重塑的关键因素。该灌注系统模拟了本机的生物力学微环境, 在压力刺激下保持了一致的变形。
提出的协议的目的是描述一个相对简单和无损的战略, TEBVs 成像和长期监测的文化。该协议可用于不同培养条件下工程船舶形态变化和厚度测量的可视化。此外, 还可以对组织工程支架中聚合物基材料的降解进行分析, 以进行鉴定。采用扫描电子显微镜 (SEM) 和偏光显微镜相结合的方法, 对细胞外基质分布和 PGA 降解的相关和定量进行了研究, 有助于评估脚手架退化与 OCT 成像相结合。
Protocol
Representative Results
Discussion
生成具有类似于原生血管的结构和机械特性的工程容器, 可缩短临床使用时间, 是血管工程的终极目标。光学成像技术允许可视化组织工程化的血管特异成分, 它不能监测整个文化和暴露移植到一个文化环境中的个体结构, 而不损害不孕7。本文将培养室与灌注系统分离。相对独立的灌流系统, 保证了养殖过程中污染风险的降低和导丝的安置。同时, 该腔内成像方式采用了 TEBVs 的简?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
我们感谢广东省科技规划项目 (2016B070701007) 支持这项工作。
Materials
| PGA mesh | Synthecon | ||
| silicone tube | Cole Parmer | ||
| connector | Cole Parmer | ||
| intravascular OCT system | St. Jude Medical, Inc | ILUMIEN™ OPTIS™ SYSTEM | |
| scanning electron microscopic | Philips | FEI Philips XL-30 | |
| polarized microscope | Olympus | Olympus BX51 | |
| sutures | Johnson & Johnson | ||
| pulsatile pump | Guangdong Cardiovascular Institute | ||
| LightLab Imaging software | St. Jude Medical, Inc |
References
- Chan-Park, M. B., et al. Biomimetic control of vascular smooth muscle cell morphology and phenotype for functional tissue-engineered small-diameter blood vessels. Journal of Biomedical Materials Research Part A. 88, 1104-1121 (2009).
- Ballyns, J. J., Bonassar, L. J. Image-guided tissue engineering. Journal of Cellular & Molecular Medicine. 13, 1428-1436 (2009).
- Smith, L. E., et al. A comparison of imaging methodologies for 3D tissue engineering. Microscopy Research & Technique. 73, 1123-1133 (2010).
- Chang, W. G., Niklason, L. E. A short discourse on vascular tissue engineering. NPJ Regenerative Medicine. 2, (2017).
- Appel, A. A., Anastasio, M. A., Larson, J. C., Brey, E. M. Imaging challenges in biomaterials and tissue engineering. Biomaterials. 34, 6615-6630 (2013).
- Rice, W. L., et al. Non-invasive characterization of structure and morphology of silk fibroin biomaterials using non-linear microscopy. Biomaterials. 29, 2015-2024 (2008).
- Niklason, L. E., et al. Enabling tools for engineering collagenous tissues integrating bioreactors, intravital imaging, and biomechanical modeling. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. , 3335-3339 (2010).
- Zheng, K., Rupnick, M. A., Liu, B., Brezinski, M. E. Three Dimensional OCT in the Engineering of Tissue Constructs: A Potentially Powerful Tool for Assessing Optimal Scaffold Structure. Open Tissue Engineering & Regenerative Medicine Journal. 2, 8-13 (2009).
- Gurjarpadhye, A. A., et al. Imaging and characterization of bioengineered blood vessels within a bioreactor using free-space and catheter-based OCT. Lasers in Surgery and Medicine. 45, 391-400 (2013).
- Chen, W., et al. In vitro remodeling and structural characterization of degradable polymer scaffold-based tissue-engineered vascular grafts using optical coherence tomography. Cell & Tissue Research. 370, 417-426 (2017).
- Naito, Y., et al. Characterization of the natural history of extracellular matrix production in tissue-engineered vascular grafts during neovessel formation. Cells Tissues Organs. 195, 60-72 (2012).
- Ye, C., et al. The design conception and realization of pulsatile ventricular assist devices-from Spiral-Vortex pump to Luo-Ye pump. Chinese Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 9, 35-40 (2002).
- Chen, W., et al. Application of optical coherence tomography in tissue engineered blood vessel culture based on Luo-Ye pump. Chinese Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 31, 687-690 (2015).
- Pickering, J. G., Boughner, D. R., et al. Quantitative assessment of the age of fibrotic lesions using polarized light microscopy and digital image analysis. American Journal of Pathology. 138, 1225-1231 (1991).
- Martinho, J. A., et al. Dependence of optical attenuation coefficient and mechanical tension of irradiated human cartilage measured by optical coherence tomography. Cell Tissue Bank. 16, 47-53 (2015).
- Poirierquinot, M., et al. High-resolution 1.5-Tesla magnetic resonance imaging for tissue-engineered constructs: a noninvasive tool to assess three-dimensional scaffold architecture and cell seeding. Tissue Engineering Part C Methods. 16, 185-200 (2010).
- Naito, Y., et al. Beyond burst pressure: initial evaluation of the natural history of the biaxial mechanical properties of tissue-engineered vascular grafts in the venous circulation using a murine model. Tissue Engineering Part A. 20, 346-355 (2014).
- Smart, N., Dube, K. N., Riley, P. R. Coronary vessel development and insight towards neovascular therapy. International Journal of Clinical and Experimental Pathology. 90, 262-283 (2009).
