Generatie en enten van-Weefselmanipulatieproducten Schepen in een muismodel
Summary
Hier presenteren we een protocol om tissue engineered vaartuig enten die functioneel zijn voor het enten in muizen door dubbel zaaien gedeeltelijk geïnduceerde pluripotente stamcellen genereren (PiPSC) – afgeleide gladde spiercellen en PiPSC – afgeleide endotheelcellen op een gedecellulariseerde schip steiger bioreactor.
Abstract
The construction of vascular conduits is a fundamental strategy for surgical repair of damaged and injured vessels resulting from cardiovascular diseases. The current protocol presents an efficient and reproducible strategy in which functional tissue engineered vessel grafts can be generated using partially induced pluripotent stem cell (PiPSC) from human fibroblasts. We designed a decellularized vessel scaffold bioreactor, which closely mimics the matrix protein structure and blood flow that exists within a native vessel, for seeding of PiPSC-endothelial cells or smooth muscle cells prior to grafting into mice. This approach was demonstrated to be advantageous because immune-deficient mice engrafted with the PiPSC-derived grafts presented with markedly increased survival rate 3 weeks after surgery. This protocol represents a valuable tool for regenerative medicine, tissue engineering and potentially patient-specific cell-therapy in the near future.
Introduction
De bouw van vasculaire leidingen is een fundamentele strategie voor chirurgische reparatie van beschadigde en gewonden schepen als gevolg van hart- en vaatziekten. Tot op heden, graft materialen die worden gebruikt in de chirurgie omvatten biocompatibele synthetische polymeren (polytetrafluoretheen [Teflon], geëxpandeerd polytetrafluorethyleen [ePTFE; Gore-Tex] of polyethyleentereftalaat [Dacron]), allogene, autoloog weefsel (pericardium of vene) en xenograften 1. Terwijl kunstmatige transplantaten (bv Gore-Tex en Dacron) worden het meest gebruikt, deze materialen waarschijnlijk leiden tot tal van korte en lange termijn complicaties die stenose, calcium afzetting, trombo-embolisatie en infecties omvatten. Hoewel patiënten met biologische enten aanwezig met verminderde trombo-embolische gebeurtenissen, ze nog steeds beperkingen tegenkomen zoals secundaire transplantaat falen en een kortere levensduur als gevolg van verkalking degradatie 2. Daarom, ondanks aanzienlijke verbeteringen in chirurgische techniques de jaren, onderzoekers en clinici nog belast met het nodig zijn de ideale geleider voor vaatziekten. Meer recent heeft het onderzoeksveld van de vasculaire tissue engineering een concept waarbij cellen worden opgenomen in biologisch afbreekbare steigers, met als doel het creëren van een biomimetische omgeving die een functioneel schip voor succesvolle enting 1 belichaamt gegenereerd. Fundamenteel, het succes van de vasculaire constructen afhankelijk drie essentiële componenten; cellen die de steiger, dwz een endotheliale binnenlaag en een gladde spiercel laag, een scaffold dat het geschikte extracellulaire matrix mechanische eigenschappen vergelijkbaar met de natieve vasculatuur verschaffen, en de moleculaire / cellulaire signalering die nodig is voor het initiëren / regulerend omvatten reparatie.
Lange termijn patency en duurzame ontwikkeling van de neo-weefsels sterk afhankelijk effectieve zaaien van cellen van steigers, thereby waardoor de beslissing van celtype van cruciaal belang. Verscheidene rapporten tonen het gebruik van volwassen endotheliale en gladde spiercellen uit diverse bronnen kleine diameter leidingen 3-6 ontwikkelen. Hoewel veelbelovend, het ontbreken van voldoende autologe schepen te verkrijgen mature endotheelcellen en gladde spiercellen blijven een aanzienlijke last. Recenter zijn stamcellen uit diverse bronnen zijn gebruikt voor vaatweefsel technische toepassingen. Inderdaad, verschillende types stamcellen waaronder embryonale stamcellen 7, geïnduceerde pluripotente stamcellen (iPSCs) 8,9, PiPSC 10,11, beenmerg afgeleide mononucleaire cellen 12, mesenchymale stamcellen 13, endotheliale progenitor cellen en wand volwassen vat -afgeleide stamcel antigeen-1 (Sca-1) + stam / progenitorcellen 14,15 zijn allemaal aangetoond kan differentiatie worden in ofwel functioneel endotheel of gladde spiercellen in reactie op gedefinieerde media enkweekomstandigheden. Bovendien is de onbeperkte zelfvernieuwing capaciteit van de stamcellen ze betere kandidaten tegenstelling volwassen endotheliale en gladde spiercellen die slechts delen een eindig aantal malen ondergaan groeistop en afsterven.
De keuze van dragermateriaal succesvol tissue engineered verblijf genereren voor enten afhankelijk van verschillende factoren zoals biocompatibiliteit, biomechanische eigenschappen en biologische afbraaksnelheden. Fundamenteel, materialen voor scaffolds voor het enten creëren biologisch afbreekbaar zijn en mogen geen onnodige ontvanger immuunreacties monteren. Bovendien moet een geschikte porositeit en microstructuur voor celhechting en daaropvolgende overleving omvatten. Tot op heden de meest voorkomende materialen voor steigers vaatweefsel techniek omvatten polymeren van polyglycolzuur, polymelkzuur, en poly ε-caprolacton 16. Recenter cellen ontdaan biologische materialenook toegepast met enig succes. Verschillende laboratoria hebben aangetoond dat het zaaien gedecellulariseerde mens, honden of varkens schepen met autologe cellen voorzien van een biologische graft die verzette stolling en intima hyperplasie 17-19. Andere strategieën in vasculaire tissue engineering omvatten extracellulaire matrix eiwitten gebaseerde vaattransplantaten bv, zaaien cellen in fibrine gel 13 en het genereren cel vellen zonder steiger steun 20, 21.
Het huidige protocol toont de differentiatie van humane PiPSC in functionele endotheel- en gladde spiercellen, het genereren van een bioreactor die bestaat uit een gedecellulariseerde vaartuig scaffold functionele PiPSC afgeleide vasculaire cellen haven en enten van de tissue engineered vaartuigen in ernstige gecombineerde immunodeficiëntie (SCID ) muizen. PiPSC zijn een optimale celtype te gebruiken voor tissue engineering van het schip enten omdat deze cellen niet tumoren bij muizen te vormen of te verhogen ethische enallo- immuunresponsen. Verder hebben we aangetoond dat de strategie voor het genereren PiPS-endotheelcellen en PiPS gladde spiercellen efficiënt en reproduceerbaar 10,11. Daarna hebben we een gedecellulariseerde vaartuig voor het zaaien van PiPSC-afgeleide vasculaire cellen naar de matrix eiwitten die binnen een native vat bestaat na te bootsen, waardoor het verbeteren van enten en overleving werkzaamheid. Bovendien, de cellen ontdoen van de bloedvaten vóór PiPSC enten voorkomt het optreden van ontstekingsreacties gemonteerd immuunceltypen zoals macrofagen. Bovendien houdt dit protocol vormen niet alleen een methode voor het genereren veelbelovende vasculaire leidingen voor translatie in mensen, maar ook waardevol middel van het bestuderen en begrijpen van de moleculaire mechanismen die vasculair weefselregeneratie regeren door muismodellen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het huidige protocol geeft een goed, snel, eenvoudig, efficiënt en reproduceerbaar strategie waarbij functionele tissue engineered schepen kunnen worden gegenereerd met behulp PiPSC uit humane fibroblasten. Deze techniek is een waardevol instrument voor de regeneratieve geneeskunde, tissue engineering en potentieel patiënt-specifieke celtherapie in de nabije toekomst. Kritische stappen om de effectiviteit van het protocol omvatten de bereiding van PiPSC, bereiding van steriele en volledig ontcelde aortische transplant…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by The British Heart Foundation and The Oak Foundation.
Materials
| Human Fibroblasts CCL-153 | ATCC | CCL-153 | Prenatal human embryonic fibroblasts |
| ATCC F-12K Medium (Kaighn's Modification of Ham's F-12 Medium) | ATCC | 30-2004 | |
| Fetal Bovine Serum | ATCC | 30-2020 | |
| Knockout DMEM medium optimized for embryonic stem cells | Life technologies (Gibco) | 12660-012 | |
| Knockout Serum Replacement | Life technologies (Invitrogen) | 10828-028 | |
| Human Basic FGF-2 | Miltenyi Biotech | 130-093-837 | |
| alpha-MEM medium | Life technologies (Invitrogen) | 32571093 | |
| Human PDGF | R&D System | 120-HD-001 | |
| Gelatin Solution 2% | Sigma | G1393 | |
| Plasmid 20866: pCAG2LMKOSimO (SOX2, OCT4, KLF4, C-MYC) | Addgene | 20866 | |
| PvuI Restriction Enzyme | New England Biolabs | RO150S | |
| SureClean Plus | Bioline | BIO-37047 | |
| Nucelofection Kit (NHDF Kit) | LONZA | VPD-1001 | |
| Neomycin | SIGMA | G418 | Selection of |
| KL 1500 LCD, Illumination for Stereo Microscopy | SCHOTT | KL 1500 LCD | Cold light illumination for stereo microscopy |
| Nikon Zoom Steromicroscope SMZ800 | Nikon | SMZ800 | |
| Heparin sodium salt | Sigma | H3393 | |
| 10% SDS Stock Solution Molecular Biology Reagent | Severn Biotech | CAS 151-21-3 | |
| Dulbecco's Phosphate Buffered Saline | Sigma | D8537 | |
| Matrigel (10mg/ml) | BD | A6661 | |
| Shaker IKA Vibrax with Shaking platform VX 7 | Jepson Bolton's, Janke&Kunkel | S32-102 | |
| Masterflex L/S Digital Pump Drive | Cole-Parmer | WZ-07523-80 | |
| Masterflex L/S 6-channel, 6-roller cartridge pump head | Cole-Parmer | EW-07519-15 | |
| Masterflex L/S large cartridges for pump head | Cole-Parmer | EW-07519-75 | |
| Masterflex platinum-cured silicone pump tubing, L/S 14, 25 ft | Cole-Parmer | WZ-96410-14 | Tubing goes through the peristaltic pump |
| 0.5mm ID, 0.8 mm OD Silicone Tubing | SILEX | N/A | Tubings connect incubation chamber, media reservoir and compliance chamber |
| Fitting Reducer 0.5 to 1.6, natural Polypropyline | Ibidi | 10829 | Adapter connect above two types of tubings |
| 1/32" Tubing, ID 0.01" (250µm) Material: PEEK | LabSmith | T-132-010P | Tubing through the incubation chamber wall which connects the graft with outside tubing |
| One-Piece Fittings | LabSmith | T-132-100 | Fix the above tubings through the incubation chamber wall |
| Nylon tubes (OD 0.9mm, ID 0.75mm) | Smiths Medical | N/A | Tubings insert into two ends of the aorta graft |
| NOD.CB17-Prkdcscid/NcrCrl mouse | Charles River | ||
| Surgical sutures, 8-0 silk | ETHICON | W819 | |
| Hypnorm | Vetapharm | Vm21757/4000 | Neuroleptanalgesic for use in mice |
| Hypnovel (Midazolam) | Roche | 59467-70-8 | Induction of anaesthesia |
| Dissecting microscope | Carl Zeiss | Stemi 2000 | |
| Nylon Tubing | Portex LTD | 800/200/100/200 | 0.65 mm in diameter and 1 mm in length; to make artery cuff |
| Electrocoagulator | Martin | SN 54.131 | Ligation of artery branches on aorta |
| Bipolar micro hemostat forceps | Martin | 80-91-12-04 | Fixation of vessel ends |
| Vessel Dilator | S&T | JFX-7 | |
| Vessel Dilator | S&T | JFL-3dZ | |
| Vessel Dilator | S&T | D-5aZ | |
| Mini applier | AESCULAP | FE572K | |
| Micro hemostats clips | AESCULAP | FE720K | |
| Surgical sutures, 6-0 VICRYL | ETHICON | V489 |
Referencias
- Kurobe, H., Maxfield, M. W., Breuer, C. K., Shinoka, T. Concise Review: Tissue-Engineered Vascular Grafts for Cardiac Surgery: Past, Present, and Future. Stem Cells Transl Med. 1 (7), 566-571 (2012).
- Jonas, R. A., Freed, M. D., Mayer, J. E. Long-term follow-up of patients with synthetic right heart conduits. Circulation. 72, II77-II83 (1985).
- Heureux, N., et al. Technology insight: the evolution of tissue-engineered vascular grafts-from research to clinical practice. Nat Clin Pract Cardiovasc Med. 4, 389-395 (2007).
- Zhang, W. J., Liu, W., Cui, L., Cao, Y. Tissue engineering of blood vessel. J Cell Mol Med. 11, 945-957 (2007).
- Cearbhaill, E. D., et al. Response of mesenchymal stem cells to the biomechanical environment of the endothelium on a flexible tubular silicone substrate. Biomaterials. 29, 1610-1619 (2008).
- Gong, Z., Niklason, L. E. Small-diameter human vessel wall engineered from bone marrow-derived mesenchymal stem cells (hMSCs). FASEB J. 22, 1635-1648 (2008).
- Wong, M. M., et al. Over-expression of HSP47 augments mouse embryonic stem cell smooth muscle differentiation and chemotaxis. PLoS One. 9 (1), e86118 (2014).
- Park, S. W., et al. Efficient differentiation of human pluripotent stem cells into functional CD34+ progenitor cells by combined modulation of the MEK/ERK and BMP4 signaling pathways. Blood. 116, 5762-5772 (2010).
- Samuel, R., et al. Generation of functionally competent and durable engineered blood vessels from human induced pluripotent stem cells. Proc Natl Acad Sci USA. 110, 12774-12779 (2013).
- Margariti, A., et al. Reprogramming of fibroblasts into endothelial cells capacble of angiogenesis and reendothelialization in tissue-engineered vessels. Proc Natl Acad Sci USA. 109, 13793-13798 (2012).
- Karamariti, E., et al. Smooth muscle cells differentiated from reprogrammed embryonic lung fibroblasts through DKK3 signaling are potent for tissue engineering of vascular grafts. Circ Res. 112, 1433-1443 (2013).
- Udelsman, B., et al. Development of an operator-independent method for seeding tissue-engineered vascular grafts. Tissue Eng Part C Methods. 17 (7), 731-736 (2011).
- Cearbhaill, E. D., Murphy, M., Barry, F., McHugh, P. E., Barron, V. Behavior of human mesenchymal stem cells in fibrin-based vascular tissue engineering constructs. Ann Biomed Eng. 38 (3), 649-657 (2010).
- Wong, M. M., et al. Macrophages control vascular stem/progenitor cell plasticity through tumor necrosis factor-α-mediated nuclear factor-κB activation. Arterioscler Thromb Vasc Biol. 34 (3), 635-643 (2014).
- Wong, M. M., et al. Sirolimus stimulates vascular stem/progenitor cell migration and differentiation into smooth muscle cells via epidermal growth factor receptor/extracellular signal-regulated kinase/β-catenin signaling pathway. Arterioscler Thromb Vasc Biol. 33 (10), 2397-2406 (2013).
- Lee, J., Cuddihy, M. J., Kotov, N. A. Three-dimensional cell culture matrices: State of the art. Tissue Eng Part B Rev. 14, 61-86 (2008).
- Hung, H. S., Hsu, S. H. Current Advances of stem cell-based approaches to tissue-engineering vascular grafts. OA Tissue Engineering. 1 (1), 2 (2013).
- Quint, C., et al. Decellularized tissue-engineered blood vessel as an arterial conduit. Proc Natl Acad Sci USA. 108 (22), 9214-9219 (2011).
- Zhang, X., Xu, Y., Thomas, V., Bellis, S. L., Vohra, Y. K. Engineering an antiplatelet adhesion layer on an electrospun scaffold using porcine endothelial progenitor cells. J Biomed Mater Res A. 97 (2), 145-151 (2011).
- Hibino, N., et al. Evaluation of the use of an induced puripotent stem cell sheet for the construction of tissue-engineered vascular grafts. J Thorac Cardiovasc Surg. 143 (3), 696-703 (2012).
- Zhao, J., et al. A novel strategy to engineer small-diameter vascular grafts from marrow-derived mesenchymal stem cells. Artif Organs. 36 (1), 93-101 (2012).
- Tsai, T., et al. Contribution of stem cells to neointimal formation of decellularized vessel grafts in a novel mouse model. Am J Pathol. 181 (1), 362-373 (2012).
- Kasimir, M. T., et al. Comparison of different decellularization procedures of porcine heart valves. Int J Artif Organs. 26 (5), 421-427 (2003).
- Stephenson, E., et al. Derivation and propagation of human embryonic stem cell lines from frozen embryos in an animal product-free environment. Nature Protocols. 7, 1366-1381 (2012).
- Takahashi, K., Okita, K., Nakagawa, M., Yamanaka, S. Induction of pluripotent stem cells from fibroblast cultures. Nature Protocols. 2, 3081-3089 (2007).
- McCall, F. C., et al. Myocardial infarction and intramyocardial injection models in swine. Nature Protocols. 7, 1479-1496 (2012).
- Olausson, M., et al. Transplantation of an allogeneic vein bioengineered with autologous stem cells: a proof-of-concept study. Lancet. 380 (9838), 230-237 (2012).
