Un biorreactor multipíca para evaluar la capacidad inflamatoria y regenerativa de los biomateriales bajo flujo y estiramiento

Summary

El objetivo de este protocolo es ejecutar un cocultivo dinámico de macrófagos humanos y miofibroblastos en andamios electrospun tubulares para investigar la regeneración de tejidos impulsada por materiales, utilizando un biorreactor que permite el desacoplamiento del esfuerzo de cizallamiento y el estiramiento cíclico.

Abstract

El uso de biomateriales reabsorbibles para inducir la regeneración directamente en el cuerpo es una estrategia atractiva desde una perspectiva traslacional. Tales materiales inducen una respuesta inflamatoria tras la implantación, que es el impulsor de la resorción posterior del material y la regeneración de nuevos tejidos. Esta estrategia, también conocida como ingeniería de tejidos in situ, se persigue para obtener reemplazos cardiovasculares como injertos vasculares de ingeniería tisular. Tanto los procesos inflamatorios como los regenerativos están determinados por las señales biomecánicas locales en el andamio (es decir, estiramiento y esfuerzo por cizallamiento). Aquí, describimos en detalle el uso de un biorreactor desarrollado a medida que permite de manera única el desacoplamiento de la tensión de estiramiento y cizallamiento en un andamio tubular. Esto permite la evaluación sistemática y estandarizada de la capacidad inflamatoria y regenerativa de los andamios tubulares bajo la influencia de cargas mecánicas bien controladas, que demostramos sobre la base de un experimento de cocultivo dinámico utilizando macrófagos humanos y miofibroblastos. Los pasos prácticos clave en este enfoque: la construcción y configuración del biorreactor, la preparación de los andamios y la siembra de células, la aplicación y el mantenimiento del flujo de estiramiento y cizallamiento, y la recolección de muestras para el análisis, se discuten en detalle.

Introduction

La ingeniería de tejidos cardiovasculares (TE) se está llevando a cabo como una opción de tratamiento alternativa a las prótesis cardiovasculares permanentes utilizadas actualmente (por ejemplo, injertos vasculares, reemplazos de válvulas cardíacas), que son subóptimas para grandes cohortes de pacientes^1,2,3,4. Las aplicaciones muy buscadas incluyen injertos vasculares de ingeniería tisular (TEVG)^5,6 y válvulas cardíacas (TEHV)^7,8. La mayoría de las veces, las metodologías cardiovasculares de TE hacen uso de biomateriales reabsorbibles (ya sean naturales o sintéticos) que sirven como un andamio instructivo para que se forme el nuevo tejido. La formación de nuevo tejido puede ser diseñada completamente in vitro, sesementando el andamio con células y culturando en un biorreactor antes de la implantación (TE in vitro)^9,10,11,o directamente in situ, en el que el andamio sintético se implanta sin precultivo para inducir la formación de nuevo tejido directamente en el cuerpo (TE in situ)^12,13,14. Para los enfoques de TE cardiovascular in vitro e in situ, la regeneración funcional exitosa depende predominantemente tanto de la respuesta inmune del huésped a la construcción implantada como de la carga biomecánica adecuada.

La importancia de la carga biomecánica para la TE cardiovascular es bien reconocida¹⁵. En el caso de los implantes cardiovasculares, las células que pueblan el andamio están expuestas a estiramientos cíclicos y tensiones de cizallamiento que surgen como resultado del entorno hemodinámico. Numerosos estudios han reportado el efecto estimulante del estiramiento (cíclico) en la formación de componentes de la matriz, como el colágeno^16,17,18,19,glicosaminoglicanos (GAG)²⁰y elastina^{21, 22,}por varios tipos de células. Por ejemplo, Huang et al. demostraron que el estiramiento biaxial elevaba la deposición y organización de colágeno y elastina en TEVG in vitro mediante el uso de un biorreactor vascular²³. Si bien el énfasis generalmente se encuentra en el estiramiento como la carga dominante, estos estudios a menudo hacen uso de biorreactores impulsados por flujo en los que la muestra también está expuesta al flujo de cizalla. Aunque se sabe relativamente poco sobre la influencia aislada de las tensiones de cizallamiento en la formación de tejidos y la inflamación en 3D, hay algunos datos disponibles. Por ejemplo, Hinderer et al. y Eoh et al. demostraron que el flujo de cizallamiento, además de una microestructura de andamio 3D, era importante para la formación de elastina madura por células del músculo liso vascular humano en un sistema modelo in vitro^24,25. En conjunto, estos hallazgos ilustran la relevancia tanto del estiramiento cíclico como del estrés cizallamiento para la TE cardiovascular.

Otro determinante importante para el éxito o fracaso de los implantes TE es la respuesta inmune del huésped al injerto implantado²⁶. Esto es particularmente importante para las estrategias de TE in situ impulsadas por materiales, que en realidad se basan en la respuesta inflamatoria aguda al andamio para iniciar los procesos posteriores de afluencia celular y formación y remodelación endógena de tejidos²⁷. El macrófago es un iniciador crítico de la regeneración funcional del tejido, lo que ha sido demostrado por múltiples estudios^28,29,30. Análoga a la cicatrización de heridas, la regeneración del tejido se rige por la señalización paracrina entre los macrófagos y las células productoras de tejido como los fibroblastos y los miofibroblastos^31,32,33. Además de coordinar la nueva deposición de tejido, los macrófagos están involucrados en la reabsorción activa de material de andamio extraño^34,35. Como tal, la respuesta in vitro de los macrófagos a un biomaterial se ha identificado como un parámetro predictivo para el éxito in vivo de los implantes^36,37,38.

La respuesta de los macrófagos a un andamio implantado depende de las características de diseño del andamio, como la composición del material y la microestructura^35,39,40. Además de las propiedades del andamio, la respuesta de los macrófagos a un andamio y su diafonía con miofibroblastos también se ve afectada por las cargas hemodinámicas. Por ejemplo, se demostró que el estiramiento cíclico es un importante modulador del fenotipo de macrófagos^41,42,43,44 y la secreción de citoquinas^43,44,45,46 en andamios electrospun 3D. Utilizando un sistema de coculto de macrófagos y células del músculo liso vascular, Battiston et al. demostraron que la presencia de macrófagos condujo a un aumento de los niveles de elastina y GAG y que los niveles moderados de estiramiento cíclico (1.07-1.10) estimularon la deposición de colágeno I y elastina^47. En trabajos anteriores, hemos demostrado que el esfuerzo por cizallamiento es un determinante importante para el reclutamiento de monocitos en andamios electrospun 3D^48,49,y que tanto el esfuerzo por cizallamiento como el estiramiento cíclico afectan la señalización paracrina entre los monocitos humanos y las células del estroma mesenquimal⁵⁰. Fahy et al. demostraron que el flujo de cizallado aumentaba la secreción de citoquinas proinflamatorias por los monocitos humanos⁵¹.

En conjunto, la evidencia anterior muestra que una comprensión adecuada y el control sobre las cargas hemodinámicas es crucial para la TE cardiovascular, y que es importante considerar la respuesta inflamatoria para lograrlo. Se han descrito previamente numerosos biorreactores para el cultivo in vitro^{52,53,54,55,56,57,58} o ex vivo^59,60,61 de tejidos cardiovasculares. Sin embargo, todos estos sistemas están diseñados para imitar las condiciones fisiológicas de carga hemodinámica tanto como sea posible. Si bien esto es muy valioso para el propósito de crear tejidos cardiovasculares in vitro o mantener cultivos ex vivo, tales sistemas no permiten estudios sistemáticos sobre los efectos individuales de las señales individuales. Esto se debe a que la aplicación tanto del estiramiento cíclico como del esfuerzo de cizallamiento en estos biorreactores es impulsada por el mismo flujo presurizado, que los une intrínsecamente. Si bien se han descrito microsistemas que permiten una manipulación mecánica multi-cue precisa para sustratos 2D⁶² o configuraciones de hidrogel^{3D 63,64}, tales configuraciones no permiten la incorporación de andamios elastoméricos de biomateriales 3D.

Aquí, presentamos la aplicación de un sistema de biorreactor tubular que permite de manera única el desacoplamiento del esfuerzo por cizallamiento y el estiramiento cíclico y ayuda a investigar mecánicamente sus efectos individuales y combinados. Este sistema permite probar una amplia variedad de injertos vasculares de ingeniería tisular (por ejemplo, de origen sintético o natural, diferentes microarquicturas, varias porosidades). Para desacoplar eficazmente la aplicación de la tensión de cizallamiento y el estiramiento, los conceptos clave que utiliza el biorreactor son (1) la separación del control de la tensión de cizallamiento y el estiramiento utilizando distintos sistemas de bomba y (2) la estimulación de los andamios de una manera “de adentro hacia afuera” con dimensiones impulsadas computacionalmente. El flujo se aplica en la superficie exterior del andamio tubular mediante el uso de una bomba de flujo, mientras que el estiramiento circunferencial del andamio se induce mediante la expansión de un tubo de silicona en el que se monta el andamio mediante el uso de una bomba de deformación separada. Las dimensiones del tubo de silicona y el tubo de vidrio que contiene la construcción se eligen y validan cuidadosamente utilizando simulaciones computacionales de dinámica de fluidos, para garantizar que la tensión de cizallamiento en el andamio (debido al flujo) y el estiramiento circunferencial (debido a la expansión del tubo) no se afecten significativamente entre sí. Este diseño de adentro hacia afuera tiene varias razones prácticas. Si el estiramiento se aplica por la presión del fluido luminal (similar a la carga fisiológica), inherentemente requiere que el diseño de la muestra esté libre de fugas. Además, la presión requerida para estirar la muestra estaría completamente determinada por la rigidez de la muestra, que puede variar entre muestras y dentro de una muestra a lo largo del tiempo, lo que dificulta el control del estiramiento. Este biorreactor monta el injerto de ingeniería tisular alrededor de un tubo de silicona y permite la aplicación de tensión de cizallamiento de pared (WSS) en la pared externa del injerto y presuriza el injerto desde el interior. De esta manera, se pueden garantizar condiciones de carga iguales entre muestras y dentro de las muestras a lo largo del tiempo, y además, se permite que las muestras estén permeables, como es común para los andamios vasculares porosos¹⁹. Este biorreactor de adentro hacia afuera está específicamente diseñado para estudios sistemáticos sobre los efectos del cizallamiento y / o estiramiento, en lugar de la ingeniería de un vaso sanguíneo nativo in vitro, para el cual las configuraciones tradicionales de biorreactores vasculares son más adecuadas. Consulte la Figura 1A-B para los dibujos de diseño del biorreactor, y su correspondiente Tabla 1 para una descripción funcional y una justificación detrás de los principales componentes del biorreactor.

El uso del biorreactor está demostrado sobre la base de una serie de estudios recientes de nuestro grupo en los que investigamos las influencias individuales y combinadas del esfuerzo cizallador y el estiramiento cíclico sobre la inflamación y la formación de tejido en andamios electrospúdicos reabsorbibles para tejido cardiovascular in situ^19,43,44. Con ese fin, utilizamos macrófagos humanos y miofibroblastos, ya sea en monocultivo o en cocultivo para simular las diversas fases de la cascada regenerativa in situ. Hemos demostrado que la secreción de citoquinas por parte de los macrófagos humanos se ve claramente afectada tanto por el estiramiento cíclico como por el esfuerzo de cizallamiento, afectando la deposición de la matriz y la organización por miofibroblastos humanos en estos andamios, tanto a través de la señalización paracrina como del contacto directo^19,43,44. En particular, estos estudios revelaron que en el caso de la aplicación combinada de esfuerzo por cizallamiento y estiramiento, los efectos sobre la formación de tejidos y la inflamación están dominados por una de las dos cargas, o hay efectos sinérgicos de ambas cargas. Estos hallazgos ilustran la relevancia de desacoplamiento de ambas cargas para obtener una mejor comprensión de la contribución del entorno mecánico en los procesos de TE. Esta comprensión se puede aplicar para optimizar sistemáticamente los parámetros de diseño de andamios en regímenes de carga hemodinámicos relevantes. Además, los datos mecanicistas de tales entornos bien controlados pueden servir como entrada para los modelos numéricos que se están desarrollando para predecir el curso de la remodelación de tejidos in situ, como se informó recientemente para teVGs⁶⁵ o TEHVs^66,para mejorar aún más la capacidad predictiva.

Protocol

En los estudios descritos en este protocolo, se han utilizado macrófagos humanos primarios aislados de capas buffy de sangre periférica y miofibroblastos humanos aislados de la vena safena después de la cirugía coronaria de derivación44. Los abrigos buffy se obtuvieron de voluntarios sanos y anónimos que proporcionaron un consentimiento informado por escrito, que fue aprobado por el Comité de Ética Médica Institucional de Investigación sanquin. El uso de células de vena safena humana (H…

Representative Results

Este biorreactor fue desarrollado para estudiar los efectos individuales y combinados del esfuerzo de cizallamiento y el estiramiento cíclico en el crecimiento y remodelación del tejido vascular en andamios de biomateriales 3D. El diseño del biorreactor permite cultivar hasta ocho construcciones vasculares bajo diversas condiciones de carga(Figura 1A). Los constructos vasculares se colocan en una cámara de cultivo de flujo(Figura 1B)en la que tanto el estira…

Discussion

El biorreactor aquí descrito permite la evaluación sistemática de las contribuciones de los efectos individuales y combinados del esfuerzo cizallador y el estiramiento cíclico sobre la inflamación y la regeneración tisular en andamios tubulares reabsorbibles. Este enfoque también permite realizar una gran variedad de análisis sobre constructos vasculares, como se ejemplifica en la sección de resultados representativos. Estos resultados muestran el impacto distintivo de los diferentes regímenes de carga hemodin?…

Materials

advanced Dulbecco’s modified EagleMedium (aDMEM)	Gibco	12491-015	cell culture medium for fibroblasts
Aqua Stabil	Julabo	8940012	prevent microorganism growth in bioreactor-hydraulic reservoir
Bovine fibrinogen	Sigma	F8630	to prepare fibrinogen gel to seed the cells on the electrospun scaffold
Bovine thrombin	Sigma	T4648	to prepare fibrinogen gel to seed the cells on the electrospun scaffold
Centrifuge	Eppendorf	5804	to spin down cells and conditioned medium
Clamp scissor – "kelly forceps"	Almedic	P-422	clamp the silicone tubing and apply pre-stretch to the scaffold so the scaffold can be sutured into the engraved groove (autoclave at step 1, step 7)
CO2 cell culture incubators	Sanyo	MCO-170AIC-PE	for cell culturing
Compressed air reservoir	Festo	CRVZS-5	smoothing air pressure fluctuations and create time delays for pressure build-up
Custom Matlab script to calculate the maximum stretches	Matlab	R2017. The Mathworks, Natick, MA	calculate the minimum and maximum outer diameter of the electrospun scaffold
Data acquisition board	National Instruments	BNC-2090	data processing in between amplifier system and computer
Ethanol	VWR	VWRK4096-9005	to keep sterile working conditions
Fetal bovine calf serum (FBS)	Greiner	758087	cell culture medium supplement; serum-supplement
Flow culture chamber compartments, consisting of a pressure conduit with engraved grooves and small holes to apply pressure on silicone tubing, a screw thread, nose cone, top compartment with flow inlet and bottom compartment flow outlet, adapter bushing	Custom made, Department of Biomedical Engineering, Eindhoven University of Technology	n.a.	flow culture chamber compartments (autoclave at step 1, step 7)
Glass Pasteur pipet	Assistant	HE40567002	apply vacuum on electrospun scaffold (autoclave at step 1)
Glass tubes of the flow culture chamber	Custon made, Equipment & Prototype Center, Eindhoven University of Technology	n.a.	part of the flow culture chamber (clean and store in 70% ethanol, at step 1 and 7)
GlutaMax	Gibco	35050061	cell culture medium amino acid supplement, minimizes ammonia build-up
High speed camera	MotionScope	M-5	to monitor the stretch during culture; time-lapse photographs of the scaffolds are captured at a frequency of 30 Hz for 6 sec (i.e. 3 stretch cycles)
High speed camera lens – Micro-NIKKOR 55mm f/2.8 – lens	Nikon	JAA616AB	to monitor the stretch during culture; time-lapse photographs of the scaffolds are captured at a frequency of 30 Hz for 6 sec (i.e. 3 stretch cycles)
Hose clip	ibidi GmbH	10821	block medium flow (autoclave at step 1, step 7)
Hydraulic reservoir with 8 screw threads for 8 flow culture chambers	Custom made, Department of Biomedical Engineering, Eindhoven University of Technology	n.a.	to apply pressure to the silicone mounted constructs (clean outside with a paper tissue with 70% ethanol, rinse reservoir with 70% ethanol followed by demi water, at step 1 and 7)
Ibidi pump system (8x) including ibidi pump, PumpControl software, fluidic unit, perfusion set (medium tubing), air pressure tubing, drying bottles with orange silica beads	ibidi GmbH	10902	set up used to control the flow in the flow culture chambers. Note 1: the ibidi pumps were modified by the manufacturer to enable 200 mbar capacity. Note 2: can be replaced by pump system of other manufacturer, as long as same flow regimes can be applied.
Knives (no.10 sterile blades, individual foil pack) and scalpel handle (stainless steel, individually wrapped)	Swann Morton	0301; 0933	to cut the silicone tubing in the correct size for the scaffold and to cut the suture material
LabVIEW Software	National Instruments	version 2018	to control the stretch applied to the scaffolds
Laminar flow biosafety cabinet with UV light	Labconco	302310001	to ensure sterile working conditions. The UV is used to decontaminate everything that cannot be autoclaved, or touched after autoclaving
Large and small petri dishes	Greiner	664-160	for sterile working conditions
L-ascorbic acid 2-phosphate (vitamin C)	Sigma	A8960	cell culture medium supplement, important for collagen production
LED light cold source KL2500	Zeiss	Schott AG	to aid in visualization for the time lapse of the scaffolds during monitoring of the stretch
Luer (female and male) locks and connectors, white luer caps	ibidi GmbH	various, see (https://ibidi.com/26-flow-accessories)	to close or connect parts of the bioreactor and the ibidi pump (autoclave at step 1, step 7)
Measuring amplifier (PICAS)	PEEKEL instruments B.V.	n.a.	to amplify the signal from the pressure sensor and feedback to LabView
Medium reservoir (large syringes 60 mL) and reservoir holders	ibidi GmbH	10974	medium reservoir (autoclave at step 1, step 7)
Medium tubing with 4.25 mm outer diameter and 1 mm inner diameter	Rubber BV	1805	to allow for a larger flow rate, the ibidi medium tubing with larger diameter is used. Note: the part of medium tubing guided through the fluidic unit valves are the same as the default ibidi medium tubing
Motion Studio Software	Idtvision	2.15.00	to make the high speed time lapse images for stretch monitoring
Needle (19G)	BD Microlance	301700	together with thin flexible tubing used to fill the hydraulic reservoir with ultrapure water without adding air bubbles
Needle driver	Adson	2429218	to handle the needle of the nylon suture through the silicone tube (autoclave at step 1, step 7)
Paper tissues	Kleenex	38044001	for cleaning of the equipment with 70% ethanol
Parafilm	Sigma	P7793-1EA	quick fix if leakage occurs
Penicillin/streptomycin (P/S)	Lonza	DE17-602E	cell culture medium supplement; prevent bacterial contamination
Phosphate Buffered Saline (PBS)	Sigma	P4417-100TAB	for storage and washing steps (autoclave at step 1)
Plastic containers (60 mL) with red screw caps	Greiner	206202	to prepare the fibrinogen solution
Pneumatic cylinder	Festo	AEVC-20-10-I-P	to actuate the Teflon bellow (clean with a paper tissue with 70% ethanol at step 1 and 7)
Polycaprolactone bisurea (PCL-BU) tubular scaffolds (3 mm inner diameter, 200 µm wall thickness, 20 mm length)	SyMO-Chem, Eindhoven, The Netherlands	n.a.	produced using electrospinning from 15% (w/w) chloroform (Sigma; 372978) polymer solutions. See Van Haaften et al Tissue Engineering Part C (2018) for more details
Pressure conduit without holes (for static control)	Custom made, Department of Biomedical Engineering, Eindhoven University of Technology	n.a.	to mount electrospun tubes on silicon tubing (autoclave at step 1, step 7)
Pressure sensor and transducer	BD	TC-XX and P 10 EZ	the air pressure going to the pneumatic actuated pump is raised until it reaches the set pressure
Proportional air pressure control valve and pressure sensor	Festo	MPPES-3-1/8-2-010, 159596	provides compressed air to the pneumatic actuated pump
Roswell Park Memorial Institute 1640 (RPMI-1640)	Gibco	A1049101	cell culture medium for monocyte/macrophage
Safe lock Eppendorf tubes (1.5 mL)	Eppendorf	30120086	multiple applications (autoclave at step 1)
Sodium dodecyl sulfate solution 20%	Sigma	5030	Used to clean materials, at a concentration of 0.1%.
Silicone O-rings	Technirub	1250S	to prevent leakage (autoclave at step 1, step 7)
Silicone tubing (2.8 mm outer diameter, 400 um wall thickness)	Rubber BV	1805	to mount the electrospun tubes on the pressure conduits (autoclave at step 1)
Sterile tube (15 mL)	Falcon	352095	multiple applications
Suture, 5-0 prolene with pre-attached taper point needle	Ethicon, Johnson&Johnson	EH7404H	Prolene suture wire 5-0 (75cm length, TF taper point needle, 1/2 circle, 13 mm needle length)
Syringe (24 mL)	B. Braun Melsungen AG	2057932	to add the ultrapure water or medium to the hydraulic reservoir or flow culture chamber
Syringe filter (0.2 µm)	Satorius	17597-K	to filter the fibrinogen solution
T150 cell culture flask with filter cap	Nunc	178983	to degas culture medium
T75 Cell culture flask with filter cap	Nunc	156499	to culture static control samples
Teflon bellow	Custom made, Department of Biomedical Engineering, Eindhoven University of Technology	n.a.	to load the hydraulic reservoir (clean outside with a paper tissue with 70% ethanol at step 1 and 7)
Tray (stainless steel)	PolarWare	15-248	for easy transport of the fluidic culture chambers and the bioreactor from incubator to laminar flow cabinet and back (clean with a paper tissue with 70% ethanol before and after use)
Tweezers	Wironit	4910	sterile handling of individual parts (autoclave at step 1 and 7)
Ultrapure water	Stakpure	Omniapure UV 18200002	to correct for medium evaporation, mixed with aqua stabil mixed and used as hydraulic fluid. (autoclave ultrapure water at step 1)
UV light	Philips	TUV 30W/G30 T8	for decontamination of grafts and bioreactor parts before seeding