Summary

Tissue engineering: Bouw van een Meercellige 3D Steiger voor de levering van Layered Cell Sheets

Published: October 03, 2014
doi:

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

Vele weefsels, zoals de volwassen menselijke harten, zijn niet in staat om na schade adequaat te regenereren. 2,3 Strategies in tissue engineering stellen innovaties om het lichaam te helpen bij het ​​herstel en reparatie. Bijvoorbeeld kan TE benaderingen kunnen hart remodeling na myocardiaal infarct (MI) verzwakken en kunnen verhogen totale hartfunctie een bijna normale pre-MI niveau. 4 Zoals met alle functionele weefsel succesvolle regeneratie van hartweefsel omvat de aanlevering van meerdere celtypen met omgevingsfactoren gunste integratie en het voortbestaan ​​van de geïmplanteerde cellen / weefsel transplantaat. Gemanipuleerde weefsels moeten aanpakken meerdere parameters, waaronder: oplosbare signalen, cel-cel interacties, en matrix materialen geëvalueerd als bestelauto's, hun effecten op overleving van de cel, materiaal sterkte, en faciliteren van cel-weefsel organisatie. Onderzoeken waarin de directe injectie van transplantaat cellen alleen deze essentiële elementen te negeren. 2,5,6Een weefsel ontwerp combineert deze ingrediënten moet nog worden ontwikkeld. Hier presenteren we een voorbeeld van geïntegreerde ontwerpen middels lagen van patroon celvellen met twee verschillende types van biologisch afgeleide materialen die het type doelorgaan cellen en endotheelcellen voor het verhogen nieuwe vaartuigen formatie in het "weefsel". Hoewel deze studies richten zich op het genereren van hart-achtige weefsel, kan dit weefsel ontwerp worden toegepast op andere dan hart met minimalistisch design en materiële veranderingen veel organen, en is bedoeld om een ​​off-the-shelf product voor regeneratieve therapieën. Het protocol bevat vijf gedetailleerde stappen. Een temperatuurgevoelige poly (N -isopropylacrylamide) (PNIPAAm) wordt gebruikt voor het bekleden weefselkweekplaten. Dan, weefselspecifieke cellen gekweekt op het oppervlak van de beklede platen / micropattern oppervlakken celvellen sterke laterale verklevingen vormen. Ten derde wordt een basismatrix gemaakt voor het weefsel door het combineren poreuze matrix met neovasculaire permissive hydrogels en endotheelcellen. Tenslotte worden de celvellen vanop PNIPAAm beklede schotels en naar het basiselement, waardoor het volledige construct.

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

1 Oprichting van PNIPAAm-gecoate platen Los op in 2 ml van een 60% tolueen / 40% hexaanoplossing de 2,6 g PNIPAAm. Verwarm het mengsel tot 60 ° C gedurende 10 minuten geroerd, totdat de PNIPAAm opgelost. Snijd filtreerpapier in een 60 mm cirkel met een diameter en plaats papier in de Buchner-trechter. Filtreer de oplossing door Buchner trechter in de vooraf gewogen glazen beker (gebruik geen kunststof, als hexaan kunststoffen smelten). Plaats het bekerglas en de inhoud…

Representative Results

Het stroomschema (figuur 1) toont de algemene werkwijze voor het maken het meerlagige patch. Cell vellen los van de PNIPAAm behandelde plaat laat vallen de temperatuur onder 32 ° C. Toen de cellaag wordt bovenop de verknoopte hydrogel die de endotheelcellen gezaaid in de onderliggende vezelachtige matrix (figuur 1). De voorbehandelde thermo-gevoelige platen kunnen ook worden gebruikt voor het maken van de celvellen. Speciale topologische oppervlakken worden gebruikt om specifiek patroo…

Discussion

De kritische stappen in het protocol zijn onder meer: ​​het coaten van de plaat oppervlakken met de warmteresponsieve polymeer en het manipuleren van de cel vellen na het afkoelen van de platen. Omdat verschillende cellen vertonen verschillende fysische eigenschappen, zoals kleefkracht, het opheffen tijd worden geoptimaliseerd voor elk ander celtype. De tweede, en meest significant uitdagende onderdeel van dit protocol, draait om het manipuleren van de cellaag, een cruciaal aspect van de methoden voor het weefsel mo…

Divulgazioni

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 

Riferimenti

  1. Ohashi, K., Okano, T. Functional tissue engineering of the liver and islets. Anat Rec (Hoboken). 297, 73-82 (2014).
  2. 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).
  3. Jakob, P., Landmesser, U. Current status of cell-based therapy for heart failure. Curr Heart Fail Rep. 10, 165-176 (2013).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Masuda, S., Shimizu, T., Yamato, M., Okano, T. Cell sheet engineering for heart tissue repair. Adv Drug Deliv Rev. 60, 277-285 (2008).
  7. Koh, G. Y., Soonpaa, M. H., Klug, M. G., Field, L. J. Strategies for myocardial repair. J Interv Cardiol. 8, 387-393 (1995).
  8. Li, R. K., et al. Construction of a bioengineered cardiac graft. J Thorac Cardiovasc Surg. 119, 368-375 (2000).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Roell, W., et al. Cellular cardiomyoplasty improves survival after myocardial injury. Circulation. 105, 2435-2441 (2002).
  12. Soonpaa, M. H., et al. Potential approaches for myocardial regeneration. Ann N Y Acad Sci. 752, 446-454 (1995).
  13. Akins, R. E. Can tissue engineering mend broken hearts. Circ Res. 90, 120-122 (2002).
  14. Goodell, M. A., et al. Stem cell plasticity in muscle and bone marrow. Ann N Y Acad Sci. 938, 208-218 (2001).
  15. Menasche, P., et al. Myoblast transplantation for heart failure. Lancet. 357, 279-280 (2001).
  16. 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).
  17. Orlic, D., et al. Transplanted adult bone marrow cells repair myocardial infarcts in mice. Ann N Y Acad Sci. 938, 221-229 (2001).
  18. Elia, R., et al. Silk-hyaluronan-based composite hydrogels: a novel, securable vehicle for drug delivery. J Biomater Appl. 27, 749-762 (2013).
  19. Kai, D., et al. Stem cell-loaded nanofibrous patch promotes the regeneration of infarcted myocardium with functional improvement in rat model. Acta Biomater. , (2014).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. Sato, M., Yamato, M., Hamahashi, K., Okano, T., Mochida, J. Articular cartilage regeneration using cell sheet technology. Anat Rec (Hoboken). 297, 36-43 (2014).
  24. Sawa, Y., Miyagawa, S. Present and future perspectives on cell sheet-based myocardial regeneration therapy. Biomed Res Int. 2013, 583912 (2013).
  25. 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).
  26. Song, J. J., Ott, H. C. Organ engineering based on decellularized matrix scaffolds. Trends Mol Med. 17, 424-432 (2011).
  27. 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).
  28. 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).
  29. Gilbert, T. W., et al. Collagen fiber alignment and biaxial mechanical behavior of porcine urinary bladder derived extracellular matrix. Biomaterials. 29, 4775-4782 (2008).
  30. 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).
check_url/it/51044?article_type=t

Play Video

Citazione di questo articolo
Turner, W. S., Sandhu, N., McCloskey, K. E. Tissue Engineering: Construction of a Multicellular 3D Scaffold for the Delivery of Layered Cell Sheets. J. Vis. Exp. (92), e51044, doi:10.3791/51044 (2014).

View Video