The Loop arteriovenosa (AV) em um modelo animal pequeno para estudar angiogénese e Engenharia de tecido vascularizado

Summary

Descrevemos uma abordagem microcirúrgico para a geração de um circuito arteriovenoso (AV) como um modelo para analisar a vascularização in vivo num ambiente isolado e bem caracterizado. Este modelo não só é útil para a investigação de angiogênese, mas também é perfeitamente adaptado para a engenharia axial vascularizado e tecidos transplantáveis.

Abstract

A functional blood vessel network is a prerequisite for the survival and growth of almost all tissues and organs in the human body. Moreover, in pathological situations such as cancer, vascularization plays a leading role in disease progression. Consequently, there is a strong need for a standardized and well-characterized in vivo model in order to elucidate the mechanisms of neovascularization and develop different vascularization approaches for tissue engineering and regenerative medicine.

We describe a microsurgical approach for a small animal model for induction of a vascular axis consisting of a vein and artery that are anastomosed to an arteriovenous (AV) loop. The AV loop is transferred to an enclosed implantation chamber to create an isolated microenvironment in vivo, which is connected to the living organism only by means of the vascular axis. Using 3D imaging (MRI, micro-CT) and immunohistology, the growing vasculature can be visualized over time. By implanting different cells, growth factors and matrices, their function in blood vessel network formation can be analyzed without any disturbing influences from the surroundings in a well controllable environment.

In addition to angiogenesis and antiangiogenesis studies, the AV loop model is also perfectly suited for engineering vascularized tissues. After a certain prevascularization time, the generated tissues can be transplanted into the defect site and microsurgically connected to the local vessels, thereby ensuring immediate blood supply and integration of the engineered tissue. By varying the matrices, cells, growth factors and chamber architecture, it is possible to generate various tissues, which can then be tailored to the individual patient’s needs.

Introduction

A maior parte dos tecidos e órgãos no corpo humano são dependentes de uma rede de vasos sanguíneos funcionais que fornece nutrientes, trocas gasosas e remove os resíduos. Mau funcionamento deste sistema causado por problemas vasculares locais ou sistémicas pode conduzir a uma variedade de doenças graves. Além disso, nas áreas de pesquisa, como a engenharia de tecidos ou medicina regenerativa, uma rede de vasos sanguíneos funcional dentro tecidos geradas artificialmente ou órgãos transplantados é indispensável para a aplicação clínica de sucesso.

Durante décadas, os investigadores têm investigado os mecanismos exatos envolvidos na vasculatura crescente para ganhar uma compreensão mais profunda situações patológicas a fim de encontrar novas intervenções terapêuticas e proporcionar uma melhor prevenção das doenças vasculares. No primeiro passo, os processos básicos, tais como as interacções célula-célula ou o efeito das moléculas sobre as células do sistema vascular são geralmente investigados in vitro por 2D ou 3Dexperimentos. modelos 2D tradicionais são fáceis de executar, estão bem estabelecidos e têm contribuído grandemente para uma melhor compreensão destes processos. Pela primeira vez em 1980, Folkman et ai. relataram na semeadura angiogénese in vitro de células endoteliais capilares em placas revestidas com gelatina ^1. Isto imediatamente deu lugar a publicação de uma multiplicidade de outras experiências de angiogénese 2D em tubo de ensaio de formação de célula endotelial ^{2, 3} ensaio de migração e a co-cultura de diferentes tipos de células ^4, bem como outros. Estes ensaios são usadas ainda hoje e aceito como padrão métodos in vitro.

No entanto, este arranjo experimental nem sempre é apropriado para o estudo do comportamento das células in vivo uma vez que a maioria dos tipos de células necessitam de um ambiente 3D para formar estruturas de tecido fisiológicas relevantes ^5. Pode ser mostrado que a arquitectura da matriz 3D é decisivo para morphogenesi capilars ⁶ e que as interações celulares extra-matriz celular (ECM) e de cultura 3D condições regulam fatores importantes envolvidos na angiogénese tumoral ^7. A matriz 3D oferece entradas mecânicas complexas, pode ligar proteínas efetoras e estabelecer escala tecidos gradientes de concentração de solutos. Além disso, considera-se necessário, a fim de imitar morfogenética vivo e as etapas de remodelação em tecidos complexos ^5. Nestes sistemas, tanto a angiogénese e vasculogénese pode ser estudada. Enquanto angiogênese descreve o surgimento de vasos capilares a partir de vasos preexistentes sangue ^8, vasculogênese refere-se à formação de novo de vasos sanguíneos através de células endoteliais ou seus progenitores ^9,10. A maturação dos vasos é descrito num processo chamado de "arteriogénese" via do recrutamento das células musculares lisas ^11. A angiogênico típico modelo in vitro é o surgimento de células endoteliais da monocamada existentes semeadas como uma monocamada em superfícies de gel, na superfície das microesferas incorporados dentro de um gel ou através da construção de esferóides de células endoteliais ^12. Em modelos vasculogénicos células endoteliais individuais são aprisionadas num gel 3D. Eles interagem com as células endoteliais adjacentes para formar estruturas e redes vasculares de novo, tipicamente em combinação com células de suporte ^12.

No entanto, mesmo em 3D complexos em modelos in vitro não reproduzem em ambientes vivo dado completamente a multidão de célula-célula e célula-ECM interações ^13. Substâncias com alta atividade in vitro não mostram automaticamente os mesmos efeitos in vivo e vice-versa ^14. Para uma análise abrangente da vascularização processa há uma necessidade urgente de desenvolver modelos in vivo que simulam melhor a situação no corpo. Uma grande variedade de ensaios in vivo da angiogénese são descritos na literatura, incluindo oensaio de pintainho membrana corioalantóica (CAM), o modelo de peixe-zebra, o ensaio de angiogénese da córnea, o modelo de saco de ar dorsal, a câmara dorsal dobra cutânea, os modelos de tumores subcutâneos ^14. No entanto, estes ensaios são frequentemente associados com limitações, tais como alterações morfológicas rápidas, problemas em novos capilares a partir de distintivos já existentes no ensaio da CAM, ou o espaço limitado no ensaio de angiogénese da córnea ^15. Além disso, os sistemas de não-mamíferos são utilizados (por exemplo., O modelo de peixe-zebra ^16), o que leva a problemas em xenotransplantes ^17. No modelo de tumor subcutâneo, angiogénese proveniente apenas do tumor em si não pode ser analisado uma vez que o tecido adjacente contribui significativamente para o processo de vascularização. Além disso, o tecido circundante pode ter um papel decisivo na formação do microambiente do tumor ^18.

Não só para estudar angiogénese ou vasculogénese há uma forte need para um padronizado e bem caracterizada no modelo vivo, mas também para estudar diferentes estratégias de vascularização em engenharia de tecidos e medicina regenerativa. Hoje, a geração de órgãos ou tecidos artificiais complexas é possível tanto in vitro como in vivo. Bioprinting 3D proporciona uma técnica de fabricação sob demanda para a geração 3D complexos tecidos vivos funcional ^19. Além disso, biorreactores pode ser usada para a geração de tecidos ^{de 20} ou até mesmo o próprio corpo pode ser usada como biorreactor de ^21. No entanto, a principal barreira para a aplicação com sucesso de tecidos gerados artificialmente é a falta de vascularização dentro das construções de engenharia. conexão imediata com a vasculatura do hospedeiro após o transplante é um importante pré-requisito para a sobrevivência, especialmente no caso de tecidos ou órgãos artificiais de grande escala.

Diferente in vitro ou di estratégias prevascularization vivo foram develvolvido para estabelecer uma microvasculatura funcional em construções antes da implantação ^22. A implantação de uma estrutura de suporte com capilares in vitro engenharia pré-formados sobre a pele dorsal de ratos levou a um rápido anastomose da vasculatura ratinhos dentro de um dia ^23. Em contraste, uma co-cultura de esferóides que consiste em células estaminais mesenquimais humanas e células endoteliais da veia umbilical humana montados numa rede tridimensional prevascular desenvolvido após implantação in vivo. No entanto, a anastomose com a vasculatura de acolhimento ²⁴ foi limitado. Acima de tudo, em defeitos mal vascularizados, tais como áreas de necrose ou irradiados, este assim chamado vascularização extrínsecos – o crescimento de vasos da área circundante para o andaime – muitas vezes falha. Vascularização intrínseca, por outro lado, baseia-se num eixo vascular como fonte de novos capilares brotam para o andaime ^25. Usando a abordagem vascularização axial, A engenharia de tecidos podem ser transplantadas com o seu eixo vasculares e ligado aos navios locais no local destinatário. Imediatamente após o transplante, o tecido está adequadamente apoiado pelos oxigênio e nutrientes, o que cria as condições adequadas para a melhor integração possível.

Devido à disponibilidade limitada de modelos para investigar a angiogênese in vivo e em reconhecimento da importância crescente de geração de tecido vascularizado axial, desenvolvemos a abordagem microcirúrgica de Erol e Spira ainda mais para gerar um loop arteriovenosa (AV) no modelo animal ^26. A utilização de uma câmara de implante completamente fechado torna este método muito bem adaptado para estudar a formação de vasos sanguíneos sob "controlado", bem caracterizadas as condições in vivo (Figura 1). Este modelo não só é útil para a investigação de angiogênese, mas também é perfeitamente adaptado para a vascularização axial de andaimes para Engin tecidofins nharia.

Protocol

O Comité de Cuidados com Animais da Universidade Friedrich-Alexander de Erlangen-Nürnberg (FAU) e o Governo do Oriente Franconia, Alemanha, aprovou todas as experiências. Para as experiências, os ratos Lewis machos com um peso corporal de 300 – foram utilizados 350 g. 1. The Loop Modelo arteriovenosa no Rat Implantação Procedimento (Figura 2) Para anestesia usar uma caixa de plástico especial que está ligada através do tubo para o vaporizador de isoflurano e…

Representative Results

Tissue Engineering Para fins de engenharia de tecido ósseo, um número de diferentes substitutos ósseos foram implantadas no animal pequeno rato modelo de ansa AV 27,28,33,34. Vascularização poderia perfeitamente ser demonstrada por tomografia computadorizada 3D-micro (micro-CT) (Figura 3A). A vascularização de uma matriz processada bovina osso esponjoso (PBCB) foi significativamente mais elevada no grupo ciclo em comparação com…

Discussion

Por mais de uma década, temos utilizado com sucesso o ciclo (AV) arteriovenosas para fins de engenharia de tecidos e estudando a angiogênese in vivo no modelo animal de pequeno porte. Foi possível demonstrar que este modelo microcirúrgico é muito bem adequado para a engenharia de tecidos diferentes e que também pode ser utilizado para a angiogénese ou antiangiogenesis estudos.

Importância da Técnica em Matéria de Existentes / Métodos Alternativos
T…

Materials

0.9% sodium chloride	Berlin-Chemie AG	34592508
11-0 Ethilon / polyamide 6/6	Ethicon	EH7438G
4-0 Vicryl / polygalactin 910	Ethicon	V392H
6-0 Prolene / polypropylene	Ethicon	8695H
aluminium spray	Pharma Partner Vertriebs-GmbH	1020
antiseptics	BODE Chemie GmbH
Catheter	B Braun Meslungen AG	4251612-02
contrast agent	Flowtech	MV-122
embutramide, mebezonium iodide, tetracaine hydrochloride injectable solution	Intervet International GmbH
encre de chine intense indian ink	Lefranc & Bourgeois
Enrofloxacin	Bayer AG
eye ointment	Bayer AG
Formalin 4 %	Carl Roth GmbH & Co. KG	P087.4
Heparin	Ratiopharm GmbH
isoflurane	Abbott Laboratories	6055482
Lewis rat, male	Charles River Laboratories
Metamizol-Natrium	Ratiopharm GmbH
papaverine / Paveron N	Linden Arzneimittel-Vertrieb-GmbH
tramadol / Tramal	Grünenthal GmbH