هندسة الأنسجة: بناء ومتعددة الخلايا 3D سقالة لتسليم الطبقات صفائح خلية
Summary
For creation of highly organized structures of complex tissue, one must assemble multiple material and cell types into an integrated composite. This combinatorial design incorporates organ-specific layered cell sheets with two distinct biologically-derived materials containing a strong fibrous matrix base, and endothelial cells for enhancing new vessels formation.
Abstract
العديد من الأنسجة، مثل قلوب البشر البالغين، غير قادرين على تجديد كاف بعد الضرر. 2،3 استراتيجيات في هندسة الأنسجة تقترح الابتكارات لمساعدة الجسم على الشفاء والإصلاح. على سبيل المثال، قد يكون النهج TE قادرة على تخفيف إعادة القلب بعد احتشاء عضلة القلب (MI)، وربما زيادة إجمالي وظائف القلب إلى القريب العادي قبل MI مستوى 4 كما هو الحال مع أي نوع من الأنسجة وظيفية، وتجديد أنسجة القلب الناجح ينطوي على تسليم السليم لل أنواع الخلايا متعددة مع العظة البيئية لصالح التكامل وبقاء الكسب غير المشروع زرع خلية / الأنسجة. يجب أن تعالج الأنسجة المهندسة معلمات متعددة بما في ذلك: الإشارات القابلة للذوبان، خلية الى خلية التفاعلات، والمواد مصفوفة تقييم وسائل إيصالها، آثارها على بقاء الخلية، والقوة المادية، وتسهيل وتنظيم الخلايا إلى الأنسجة. الدراسات باستخدام الحقن المباشر للخلايا الكسب غير المشروع فقط تجاهل هذه العناصر الأساسية. 2،5،6لم يتم بعد إعداد تصميم النسيج الجمع بين هذه المكونات. هنا، نقدم مثالا لتصاميم متكاملة باستخدام طبقات من ألواح الخلايا منقوشة مع نوعين متميزين من المواد البيولوجية المشتقة من نوع من الخلايا التي تحتوي على الجهاز المستهدف والخلايا البطانية لتعزيز تكوين الأوعية جديد في "نسيج". على الرغم من أن هذه الدراسات تركز على توليد أنسجة تشبه القلب، وهذا التصميم الأنسجة يمكن تطبيقها على العديد من الأجهزة الأخرى من القلب مع تصميم المواد والحد الأدنى من التغييرات، ومن المفترض أن يكون المنتج قبالة الجاهزة للاستخدام للعلاجات التجدد. بروتوكول يتضمن خمس خطوات مفصلة. ويستخدم البولي درجة الحرارة حساسة (N -isopropylacrylamide) (pNIPAAM) لأطباق زراعة الأنسجة معطف. ثم، وخلايا أنسجة محددة يتم تربيتها على سطح لوحات مغلفة / أسطح micropattern لتشكيل خلية ورقة مع التصاقات جانبية قوية. ثالثا، يتم إنشاء مصفوفة قاعدة للأنسجة عن طريق الجمع بين مسامية مصفوفة مع permissi التوعية المستحدثةلقد الهلاميات المائية والخلايا البطانية. وأخيرا، يتم رفع الأوراق خلية من الأطباق pNIPAAM المغلفة ونقل إلى قاعدة عنصر، مما يجعل بناء كاملة.
Introduction
Injection of cells and/or single materials alone has shown variable success in other organ systems and limited success in cardiac regeneration.5,7-12 Currently, stem cell-derived cells are delivered to damaged tissue using a variety of delivery methods including: direct cell injection into tissue and perfusion into the blood supply.13-17 Others have implanted cells alone, materials alone and/or in combination with material carriers to help regenerate damaged organs.18-21 This design combines multiple strategies that provide material strength, patterning in multiple materials and multiple cell types.
Specifically, the base acellularized fibrous matrix provides the foundational physical strength to the construct, making it suitable for suturing in into the patient, if necessary. The void spaces in the base matrix are filled with endothelial cells in a neovascular permissive hydrogel22 for rapidly establishing vascularization of the implanted construct. This composite is then integrated with pre-patterned cell sheets that allow enhanced cell-to-cell communication, more closely mimic the native tissue.1,23-25 The overall production process for the layered cellular patch is outlined by the flowchart in Figure 1.
Protocol
Representative Results
Discussion
الخطوات الحاسمة في البروتوكول ما يلي: طلاء أسطح لوحة مع البوليمر thermoresponsive والتلاعب في أوراق الخلية بعد التبريد لوحات. لأن خلايا مختلفة تظهر الخصائص الفيزيائية المختلفة، مثل adhesivity، يجب أن يكون الأمثل الوقت لرفع كل نوع من الخلايا المختلفة. العنصر الثاني، والأكثر تحدي…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was funded by a New Faculty Award II from the California Institute of Regenerative Medicine (CIRM; RN2-00921-1), NIH-funded National Research Award (F32-HL104924), and CIRM Training Grant (TG21163). Materials were provided by: Glycosan Biosystems Inc / BioTime and Dr. Stephen Badylak (University of Pittsburgh)
Materials
| Table of Reagents: | |||
| Reagent | Company | Catalogue number | Comments |
| Calcein-AM | Invitrogen | C3099 | Cell tracker / live dye |
| Lysotracker Red | Invitrogen | L7528 | Cell tracker |
| Neutral Red | Sigma | N7005 | Visible Cell dye |
| pNIPAAM | Sigma Aldrich | 412780250 | Poly(N-isopropylacrylamide) |
| Toluene | Sigma Aldrich | 244511-1L | |
| Hexane | Sigma Aldrich | 296090-1L | |
| RAOSMC | Lonza | R-ASM-580 | Rat Aortic Smooth Muscle Cells |
| SmGM2 | Lonza | CC-4149 | Smooth Muscle Media |
| HUVEC | Invitrogen | C-003-5C | Human Venous Endothelial Cells |
| HyStem | Glycosan/Biotime | ———— | |
| Isopropyl alcohol | VWR International | BDH1133-4LP | |
| Trypsin | Corning Cellgro | 25-053-C1 | |
| PBS | Gibco | 14287-072 | |
| FBS | Gibco | 16140-071 | |
| Table of Specific Equipment: | |||
| Equipment | Company | Catalogue number | Comments (optional) |
| Filter paper | Ahlstrom | 6310-0900 | |
| Buchner Funnel | Sigma Aldrich | Z247308 | |
| UpCell Plates | Nunc | 2014-11 | |
| UV light. | Jelight Company | UVO Cleaner Model No.42 |
References
- Ohashi, K., Okano, T. Functional tissue engineering of the liver and islets. Anat Rec (Hoboken). 297, 73-82 (2014).
- Chen, Q. Z., Harding, S. E., Ali, N. N., Lyon, A. R., Boccaccini, A. R. Biomaterials in cardiac tissue engineering: Ten years of research survey. Mat Sci Eng R. 59, 1-37 (2008).
- Jakob, P., Landmesser, U. Current status of cell-based therapy for heart failure. Curr Heart Fail Rep. 10, 165-176 (2013).
- Tongers, J., Losordo, D. W., Landmesser, U. Stem and progenitor cell-based therapy in ischaemic heart disease: promise, uncertainties, and challenges. Eur Heart J. 32, 1197-1206 (2011).
- Etzion, S., et al. Influence of embryonic cardiomyocyte transplantation on the progression of heart failure in a rat model of extensive myocardial infarction. J Mol Cell Cardiol. 33, 1321-1330 (2001).
- Masuda, S., Shimizu, T., Yamato, M., Okano, T. Cell sheet engineering for heart tissue repair. Adv Drug Deliv Rev. 60, 277-285 (2008).
- Koh, G. Y., Soonpaa, M. H., Klug, M. G., Field, L. J. Strategies for myocardial repair. J Interv Cardiol. 8, 387-393 (1995).
- Li, R. K., et al. Construction of a bioengineered cardiac graft. J Thorac Cardiovasc Surg. 119, 368-375 (2000).
- Muller-Ehmsen, J., et al. Rebuilding a damaged heart: long-term survival of transplanted neonatal rat cardiomyocytes after myocardial infarction and effect on cardiac function. Circulation. , 105-1720 (2002).
- Reinecke, H., Zhang, M., Bartosek, T., Murry, C. E. Survival, integration, and differentiation of cardiomyocyte grafts: a study in normal and injured rat hearts. Circulation. , 100-193 (1999).
- Roell, W., et al. Cellular cardiomyoplasty improves survival after myocardial injury. Circulation. 105, 2435-2441 (2002).
- Soonpaa, M. H., et al. Potential approaches for myocardial regeneration. Ann N Y Acad Sci. 752, 446-454 (1995).
- Akins, R. E. Can tissue engineering mend broken hearts. Circ Res. 90, 120-122 (2002).
- Goodell, M. A., et al. Stem cell plasticity in muscle and bone marrow. Ann N Y Acad Sci. 938, 208-218 (2001).
- Menasche, P., et al. Myoblast transplantation for heart failure. Lancet. 357, 279-280 (2001).
- Murry, C. E., Wiseman, R. W., Schwartz, S. M., Hauschka, S. D. Skeletal myoblast transplantation for repair of myocardial necrosis. J Clin Invest. 98, 2512-2523 (1172).
- Orlic, D., et al. Transplanted adult bone marrow cells repair myocardial infarcts in mice. Ann N Y Acad Sci. 938, 221-229 (2001).
- Elia, R., et al. Silk-hyaluronan-based composite hydrogels: a novel, securable vehicle for drug delivery. J Biomater Appl. 27, 749-762 (2013).
- Kai, D., et al. Stem cell-loaded nanofibrous patch promotes the regeneration of infarcted myocardium with functional improvement in rat model. Acta Biomater. , (2014).
- Hong, H. J., et al. Tracheal reconstruction using chondrocytes seeded on a poly(l-lactic-co-glycolic acid)-fibrin/hyaluronan. J Biomed Mater Res A. , (2014).
- Serpooshan, V., et al. The effect of bioengineered acellular collagen patch on cardiac remodeling and ventricular function post myocardial infarction. Biomaterials. 34, 9048-9055 (2013).
- Turner, W. S., et al. Cardiac tissue development for delivery of embryonic stem cell-derived endothelial and cardiac cells in natural matrices. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 100, 2060-2072 (2012).
- Sato, M., Yamato, M., Hamahashi, K., Okano, T., Mochida, J. Articular cartilage regeneration using cell sheet technology. Anat Rec (Hoboken). 297, 36-43 (2014).
- Sawa, Y., Miyagawa, S. Present and future perspectives on cell sheet-based myocardial regeneration therapy. Biomed Res Int. 2013, 583912 (2013).
- Demirbag, B., Huri, P. Y., Kose, G. T., Buyuksungur, A., Hasirci, V. Advanced cell therapies with and without scaffolds. Biotechnol J. 6, 1437-1453 (2011).
- Song, J. J., Ott, H. C. Organ engineering based on decellularized matrix scaffolds. Trends Mol Med. 17, 424-432 (2011).
- Badylak, S. F., et al. The use of extracellular matrix as an inductive scaffold for the partial replacement of functional myocardium. Cell Transplant. 15, S29-S40 (2006).
- Wang, Y., et al. Lineage restriction of human hepatic stem cells to mature fates is made efficient by tissue-specific biomatrix scaffolds. Hepatology. 53, 293-305 (2011).
- Gilbert, T. W., et al. Collagen fiber alignment and biaxial mechanical behavior of porcine urinary bladder derived extracellular matrix. Biomaterials. 29, 4775-4782 (2008).
- Luna, J. I., et al. Multiscale biomimetic topography for the alignment of neonatal and embryonic stem cell-derived heart cells. Tissue Eng Part C Methods. 17, 579-588 (2011).
