En multi-cue bioreaktor för att utvärdera biomaterialens inflammatoriska och regenerativa kapacitet under flöde och sträckning
Summary
Målet med detta protokoll är att genomföra en dynamisk samkultur av mänskliga makrofager och myofibroblaster i rörformiga elektrospunställningar för att undersöka materialdriven vävnadsregenerering, med hjälp av en bioreaktor som möjliggör frikoppling av saxstress och cyklisk stretch.
Abstract
Användningen av resorbable biomaterial för att inducera regenerering direkt i kroppen är en attraktiv strategi ur ett translationellt perspektiv. Sådana material inducerar ett inflammatoriskt svar vid implantation, vilket är drivkraften för efterföljande resorption av materialet och regenerering av ny vävnad. Denna strategi, även känd som in situ vävnadsteknik, eftersträvas för att erhålla kardiovaskulära ersättningar såsom vävnadskonstruerade vaskulär ympkvistar. Både de inflammatoriska och regenerativa processerna bestäms av de lokala biomekaniska signalerna på ställningen (dvs. stretch och shear stress). Här beskriver vi i detalj användningen av en specialutvecklad bioreaktor som unikt möjliggör frikoppling av sträck- och savspänning på en rörformig byggnadsställning. Detta möjliggör systematisk och standardiserad utvärdering av den inflammatoriska och regenerativa kapaciteten hos rörformiga byggnadsställningar under påverkan av välkontrollerade mekaniska belastningar, vilket vi demonstrerar på grundval av ett dynamiskt samkulturexperiment med hjälp av mänskliga makrofager och myofibroblaster. De viktigaste praktiska stegen i detta tillvägagångssätt – konstruktion och inrättandet av bioreaktorn, beredning av byggnadsställningar och cellfröning, applicering och underhåll av sträck- och saxflöde och provskörd för analys – diskuteras i detalj.
Introduction
Kardiovaskulär vävnadsteknik (TE) eftersträvas som ett alternativt behandlingsalternativ till de för närvarande använda permanenta kardiovaskulära proteserna (t.ex. kärltransplantat, hjärtklaffbyten), som är suboptimala för stora kohorter av patienter1,2,3,4. Mycket eftertraktade applikationer inkluderar vävnadskonstruerade kärltransplantat (TEVGs)5,6 och hjärtklaffar (TV-apparater)7,8. Oftast använder kardiovaskulära TE-metoder resorbable biomaterial (antingen naturliga eller syntetiska) som fungerar som en lärorik byggnadsställning för den nya vävnaden som ska bildas. Bildandet av ny vävnad kan antingen konstrueras helt in vitro, genom att så ställningen med celler och odling i en bioreaktor före implantation (in vitro TE)9,10,11, eller direkt på plats, där den syntetiska byggnadsställningen implanteras utan förodling för att inducera bildandet av ny vävnad direkt i kroppen (in situ TE)12,13,14. För både in vitro- och in situ kardiovaskulära TE-metoder är framgångsrik funktionell regenerering dominerande beroende av både värdens immunsvar på den implanterade konstruktionen och lämplig biomekanisk belastning.
Vikten av biomekanisk belastning för kardiovaskulär TE är väl erkänd15. När det gäller kardiovaskulära implantat utsätts cellerna som fyller ställningen för cyklisk stretch och saxspänningar som uppstår till följd av den hemodynamiska miljön. Många studier har rapporterat den stimulerande effekten av (cyklisk) sträckning på bildandet av matriskomponenter, såsom kollagen16,17,18,19,glykosaminoglykaner (GAGs)20, och elastin21,22, av olika celltyper. Till exempel visade Huang et al. att biaxial stretch förhöjde nedfallet och organisationen av kollagen och elastin i in vitro TEVGs med hjälp av en vaskulär bioreaktor23. Medan betoningen vanligtvis ligger på stretch som den dominerande belastningen, använder dessa studier ofta flödesdrivna bioreaktorer där provet också utsätts för saxflöde. Även om relativt lite är känt om den isolerade påverkan av skjuvspänningar på vävnadsbildning och inflammation i 3D, finns vissa data tillgängliga. Till exempel visade Hinderer et al. och Eoh et al. att savflödet, förutom en 3D-byggnadsställningsmikrostruktur, var viktigt för bildandet av mogna elastin av mänskliga vaskulära glatta muskelceller i ett in vitro-modellsystem24,25. Sammantaget illustrerar dessa resultat relevansen av både cyklisk stretch och shear stress för kardiovaskulär TE.
En annan viktig avgörande faktor för framgången eller misslyckandet med TE-implantat är värdens immunsvar på det implanterade transplantatet26. Detta är särskilt viktigt för materialdrivna IN situ TE-strategier, som faktiskt förlitar sig på det akuta inflammatoriska svaret på ställningen för att kickstarta de efterföljande processerna för cellulär tillströmning och endogen vävnadsbildning och ombyggnad27. Makrofaget är en kritisk initiativtagare till funktionell vävnadsregenerering, vilket har visats av flerastudier 28,29,30. Analogt med sårläkning styrs regenereringen av vävnad av parakrina signalering mellan makrofager och vävnadsproducerande celler som fibroblaster och myofibroblaster31,32,33. Förutom att samordna ny vävnad nedfall, makrofager är inblandade i aktiv resorption av främmande byggnadsställning material34,35. Som sådan har in vitro-makrofagsvaret på ett biomaterial identifierats som en prediktiv parameter för in vivo-framgång avimplantat 36,37,38.
Makrofatsvaret på en implanterad byggnadsställning är beroende av byggnadsställningar design funktioner som materialkomposition och mikrostruktur35,39,40. Förutom byggnadsställningar påverkas makrofatsvaret på en byggnadsställning och deras crosstalk med myofibroblaster också av hemodynamiska belastningar. Till exempel visade sig cyklisk sträcka vara en viktig modulator av makrofag fenotyp41,42,43,44 och utsöndring av cytokiner43,44,45,46 i 3D elektrospunställningar. Med hjälp av ett samkultursystem av makrofager och vaskulär glatt muskelceller visade Battiston et al. att förekomsten av makrofager ledde till ökade nivåer av elastin och GAGs och att måttliga nivåer av cyklisk stretch (1,07-1,10) stimulerade nedfallet av kollagen I och elastin47. I tidigare arbeten har vi visat att savstress är en viktig determinant för monocytrekrytering till 3D-elektrospunställningar48,49, och att både shear stress och cyklisk stretch påverkar parakrin signalering mellan mänskliga monocyter och mesenchymala stromal celler50. Fahy et al. visade att savflödet ökade utsöndring av proinflammatoriska cytokiner med mänskliga monocyter51.
Sammantaget visar ovanstående bevis att en adekvat förståelse för och kontroll över hemodynamiska belastningar är avgörande för kardiovaskulär TE, och att det är viktigt att överväga det inflammatoriska svaret för att uppnå detta. Många bioreaktorer har beskrivits tidigare för in vitro52,53 ,54,55,56,57,58 eller ex vivo59,60,61 kultur av kardiovaskulära vävnader. Alla dessa system är dock utformade för att efterlikna de fysiologiska hemodynamiska belastningsförhållandena så mycket som möjligt. Även om detta är mycket värdefullt för att skapa kardiovaskulära vävnader in vitro eller upprätthålla ex vivo kulturer, tillåter sådana system inte systematiska studier av de enskilda effekterna av enskilda signaler. Detta beror på att tillämpningen av både cyklisk stretch och savspänning i dessa bioreaktorer drivs av samma trycksatta flöde, som i sig länkar dem. Medan mikrosystem som möjliggör noggrann mekanisk manipulering med flera signaler har beskrivits för 2D-substrat62 eller 3D-hydrogelinställningar63,64, tillåter sådana inställningar inte införlivande av elastomeric 3D biomaterialställningar.
Här presenterar vi tillämpningen av ett rörformigt bioreaktorsystem som unikt möjliggör frikoppling av saxstress och cyklisk stretch och hjälper till att mekanistiskt undersöka deras individuella och kombinerade effekter. Detta system möjliggör testning av ett brett utbud av vävnadskonstruerade kärltransplantat (t.ex. syntetiskt eller naturligt ursprung, olika mikroarkitektur, olika porositeter). För att effektivt frikoppla tillämpningen av savspänning och sträckning är de viktigaste begreppen som bioreaktorn använder (1) separation av kontrollen av savspänning och sträckning med hjälp av distinkta pumpsystem och (2) stimulering av byggnadsställningarna på ett “utifrån och ut”-sätt med beräkningsdrivna dimensioner. Flödet appliceras på den rörformiga byggnadsställningens utsida genom användning av en flödespump, medan byggnadsställningens omkretssträcka induceras genom att utöka ett silikonrör på vilket ställningen är monterad genom användning av en separat belastningspump. Dimensionerna på silikonröret och glasröret som innehåller konstruktionen väljs noggrant och valideras med hjälp av simuleringar av beräkningsvätskans dynamik, för att säkerställa att savspänningen på ställningen (på grund av flöde) och den cirkumferentiella sträckan (på grund av rörexpansion) inte påverkar varandra nämnvärt. Denna inifrån och ut-design har flera praktiska skäl. Om stretch appliceras av det luminala vätsketrycket (liknar fysiologisk belastning) kräver det i sig att provdesignen är läckagefri. Dessutom skulle det tryck som krävs för att sträcka provet helt bestämmas av provets styvhet, som kan variera mellan proverna och inom ett prov över tiden, vilket gör det svårt att kontrollera sträckan. Denna bioreaktor monterar det vävnadskonstruerade transplantatet runt ett silikonrör och möjliggör väggskjuvspänning (WSS) på transplantatets yttervägg och pressar transplantatet från insidan. På så sätt kan lika belastningsförhållanden mellan prover och inom prover över tid säkerställas, och dessutom får proverna vara läckande, vilket är vanligt för porösa kärlställningar19. Denna inifrån och ut bioreaktor är särskilt avsedd för systematiska studier på effekterna av sax och/eller stretch, snarare än konstruktion av ett inhemskt liknande blodkärl in vitro, för vilket traditionella vaskulär bioreaktorinställningar är mer lämpliga. Se figur 1A–B för bioreaktordesignritningarna och motsvarande tabell 1 för en funktionell beskrivning och motivering bakom bioreaktorns huvudkomponenter.
Användningen av bioreaktorn demonstreras på grundval av en serie nyligen genomförda studier av vår grupp där vi undersökte de individuella och kombinerade influenserna av savstress och cyklisk sträckning på inflammation och vävnadsbildning i resorbable elektrospunställningar för in situ kardiovaskulärvävnad 19,43,44. För detta ändamål använde vi mänskliga makrofager och myofibroblaster antingen i mono- eller samkultur för att simulera de olika faserna av in situ regenerativ kaskad. Vi har visat att cytokin utsöndring av mänskliga makrofager påverkas tydligt av både cyklisk stretch och shear stress, påverkar matris nedfall och organisation av mänskliga myofibroblaster i dessa byggnadsställningar, både via parakrina signalering och direkt kontakt19,43,44. Dessa studier visade särskilt att vid kombinerad applicering av saxstress och stretch domineras effekterna på vävnadsbildning och inflammation antingen av en av de två belastningarna, eller det finns synergistiska effekter av båda belastningarna. Dessa resultat illustrerar relevansen av frikoppling av båda belastningarna för att få en bättre förståelse för den mekaniska miljöns bidrag till TE-processer. Denna förståelse kan tillämpas för att systematiskt optimera byggnadsställningars designparametrar i relevanta hemodynamiska lastningsregimer. Dessutom kan mekanistiska data från sådana välkontrollerade miljöer fungera som indata för numeriska modeller som utvecklas för att förutsäga kursen för in situ-vävnadsrenovering, som nyligen rapporterades för TEVGs65 eller TEHVs66, för att ytterligare förbättra prediktiv kapacitet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den bioreaktor som beskrivs häri möjliggör systematisk utvärdering av bidrag från individen och kombinerade effekter av sax stress och cykliska stretch på inflammation och vävnad regenerering i tubular resorbable byggnadsställningar. Detta tillvägagångssätt gör det också möjligt att utföra ett stort antal analyser på kärlkonstruktioner, vilket exemplifieras i avsnittet representativa resultat. Dessa resultat visar den distinkta effekten av de olika hemodynamiska lastningsregimerna (dvs. olika kombination…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna studie stöds ekonomiskt av ZonMw som en del av LSH 2Treat-programmet (436001003) och Holländska njurfonden (14a2d507). N.A.K. erkänner stöd från Europeiska forskningsrådet (851960). Vi uppmärksammar tacksamt gravitationsprogrammet “Materials Driven Regeneration”, finansierat av Nederländernas organisation för vetenskaplig forskning (024.003.013).
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 |
Riferimenti
- Chlupác, J., Filová, E., Bacáková, L. Blood vessel replacement: 50 years of development and tissue engineering paradigms in vascular surgery. Physiological Research. 58, 119-139 (2009).
- Huygens, S. A., et al. Bioprosthetic aortic valve replacement in elderly patients: Meta-analysis and microsimulation. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 157 (6), 2189-2197 (2019).
- Huygens, S. A., et al. Contemporary outcomes after surgical aortic valve replacement with bioprostheses and allografts: a systematic review and meta-analysis. European Journal of Cardio-Thoracic Surgery. 50 (4), 605-616 (2016).
- Loh, S. A., et al. Mid- and long-term results of the treatment of infrainguinal arterial occlusive disease with precuffed expanded polytetrafluoroethylene grafts compared with vein grafts. Annals of Vascular Surgery. 27 (2), 208-217 (2013).
- Tara, S., et al. Vessel bioengineering. Circulation Journal. 78 (1), 12-19 (2014).
- Huang, A. H., Niklason, L. E. Engineering of arteries in vitro. Cellular and Molecular Life Sciences. 71 (11), 2103-2118 (2014).
- Bouten, C. V. C., Smits, A. I. P. M., Baaijens, F. P. T. Can we grow valves inside the heart? Perspective on material-based in situ heart valve tissue engineering. Frontiers in Cardiovascular Medicine. 5, 54 (2018).
- Fioretta, E. S., et al. Next-generation tissue-engineered heart valves with repair, remodelling and regeneration capacity. Nature Reviews Cardiology. , (2020).
- Kirkton, R. D., et al. Bioengineered human acellular vessels recellularize and evolve into living blood vessels after human implantation. Science Translational Medicine. 11 (485), (2019).
- Gutowski, P., et al. Arterial reconstruction with human bioengineered acellular blood vessels in patients with peripheral arterial disease. Journal of Vascular Surgery. , (2020).
- Syedain, Z., et al. Tissue engineering of acellular vascular grafts capable of somatic growth in young lambs. Nature Communications. 7 (12951), 12951 (2016).
- Sugiura, T., et al. Tissue-engineered vascular grafts in children with congenital heart disease: intermediate term follow-up. Seminars in Thoracic and Cardiovascular Surgery. 30 (2), 175-179 (2018).
- Kluin, J., et al. In situ heart valve tissue engineering using a bioresorbable elastomeric implant – material design to 12 months follow-up in sheep. Biomaterials. 125, 101-117 (2017).
- Fioretta, E. S., et al. Differential leaflet remodeling of bone marrow cell pre-seeded versus nonseeded bioresorbable transcatheter pulmonary valve replacements. JACC. Basic to Translational Science. 5 (1), 15-31 (2020).
- Van Haaften, E. E., Bouten, C. V. C., Kurniawan, N. A. Vascular mechanobiology: towards control of. Cells. , 1-24 (2017).
- De Jonge, N., et al. Matrix production and organization by endothelial colony forming cells in mechanically strained engineered tissue constructs. PLoS ONE. 8 (9), 73161 (2013).
- Schmidt, J. B., Chen, K., Tranquillo, R. T. Effects of intermittent and incremental cyclic stretch on ERK signaling and collagen production in engineered tissue. Cellular and Molecular Bioengineering. 9 (1), 55-64 (2016).
- Luo, J., et al. Tissue-engineered vascular grafts with advanced mechanical strength from human iPSCs. Cell Stem Cell. 26 (2), 251-261 (2020).
- Van Haaften, E. E., et al. Decoupling the effect of shear stress and stretch on tissue growth and remodeling in a vascular graft. Tissue Engineering Part C: Methods. 24 (7), 418-429 (2018).
- Gupta, V., Tseng, H., Lawrence, B. D., Jane Grande-Allen, K. Effect of cyclic mechanical strain on glycosaminoglycan and proteoglycan synthesis by heart valve cells. Acta Biomaterialia. 5 (2), 531-540 (2009).
- Lin, S., Mequanint, K. Bioreactor-induced mesenchymal progenitor cell differentiation and elastic fiber assembly in engineered vascular tissues. Acta Biomaterialia. 59, 200-209 (2017).
- Venkataraman, L., Bashur, C. A., Ramamurthi, A. Impact of cyclic stretch on induced elastogenesis within collagenous conduits. Tissue Engineering. Part A. 20 (9-10), 1403-1415 (2014).
- Huang, A. H., et al. Biaxial stretch improves elastic fiber maturation, collagen arrangement, and mechanical properties in engineered arteries. Tissue Engineering Part C Methods. 22 (6), 524-533 (2016).
- Hinderer, S., et al. In vitro elastogenesis: instructing human vascular smooth muscle cells to generate an elastic fiber-containing extracellular matrix scaffold. Biomedical Materials. 10 (3), 034102 (2015).
- Eoh, J. H., et al. Enhanced elastin synthesis and maturation in human vascular smooth muscle tissue derived from induced-pluripotent stem cells. Acta Biomaterialia. 52, 49-59 (2017).
- Smits, A. I. P. M., Bouten, C. V. C. Tissue engineering meets immunoengineering: Prospective on personalized in situ tissue engineering strategies. Current Opinion in Biomedical Engineering. 6, 17-26 (2018).
- Wissing, T. B., Bonito, V., Bouten, C. V. C., Smits, A. I. P. M. Biomaterial-driven in situ cardiovascular tissue engineering-a multi-disciplinary perspective. npj Regenerative Medicine. 2 (1), 18 (2017).
- Hibino, N., et al. A critical role for macrophages in neovessel formation and the development of stenosis in tissue-engineered vascular grafts. The FASEB Journal. 25 (12), 4253-4263 (2011).
- Godwin, J. W., Pinto, A. R., Rosenthal, N. A. Macrophages are required for adult salamander limb regeneration. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110 (23), 9415-9420 (2013).
- Godwin, J. W., Debuque, R., Salimova, E., Rosenthal, N. A. Heart regeneration in the salamander relies on macrophage-mediated control of fibroblast activation and the extracellular landscape. npj Regenerative Medicine. 2 (1), 22 (2017).
- McBane, J. E., Cai, K., Labow, R. S., Santerre, J. P. Co-culturing monocytes with smooth muscle cells improves cell distribution within a degradable polyurethane scaffold and reduces inflammatory cytokines. Acta Biomaterialia. 8 (2), 488-501 (2012).
- Battiston, K. G., Ouyang, B., Labow, R. S., Simmons, C. A., Santerre, J. P. Monocyte/macrophage cytokine activity regulates vascular smooth muscle cell function within a degradable polyurethane scaffold. Acta Biomaterialia. 10 (3), 1146-1155 (2014).
- Ploeger, D. T., et al. Cell plasticity in wound healing: paracrine factors of M1/ M2 polarized macrophages influence the phenotypical state of dermal fibroblasts. Cell Communication and Signaling. 11 (1), 29 (2013).
- McBane, J. E., Santerre, J. P., Labow, R. S. The interaction between hydrolytic and oxidative pathways in macrophage-mediated polyurethane degradation. Journal of Biomedical Materials Research. Part A. 82 (4), 984-994 (2007).
- Wissing, T. B., et al. Macrophage-driven biomaterial degradation depends on scaffold microarchitecture. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 7, 87 (2019).
- Wolf, M. T., Vodovotz, Y., Tottey, S., Brown, B. N., Badylak, S. F. Predicting in vivo responses to biomaterials via combined in vitro and in silico analysis. Tissue Engineering Part C: Methods. 21 (2), 148-159 (2015).
- Grotenhuis, N., Bayon, Y., Lange, J. F., Van Osch, G. J. V. M., Bastiaansen-Jenniskens, Y. M. A culture model to analyze the acute biomaterial-dependent reaction of human primary macrophages. Biochemical and Biophysical Research Communications. 433 (1), 115-120 (2013).
- Jannasch, M., et al. A comparative multi-parametric in vitro model identifies the power of test conditions to predict the fibrotic tendency of a biomaterial. Scientific Reports. 7 (1), 1689 (2017).
- Wang, Z., et al. The effect of thick fibers and large pores of electrospun poly(ε-caprolactone) vascular grafts on macrophage polarization and arterial regeneration. Biomaterials. 35 (22), 5700-5710 (2014).
- McWhorter, F. Y., Davis, C. T., Liu, W. F. Physical and mechanical regulation of macrophage phenotype and function. Cellular and Molecular Life Sciences. 72 (7), 1303-1316 (2014).
- Ballotta, V., Driessen-Mol, A., Bouten, C. V. C., Baaijens, F. P. T. Strain-dependent modulation of macrophage polarization within scaffolds. Biomaterials. 35 (18), 4919-4928 (2014).
- Dziki, J. L., et al. The effect of mechanical loading upon extracellular matrix bioscaffold-mediated skeletal muscle remodeling. Tissue Engineering. Part A. 24 (1-2), 34-46 (2018).
- Wissing, T. B., et al. Hemodynamic loads distinctively impact the secretory profile of biomaterial-activated macrophages – implications for in situ vascular tissue engineering. Biomaterials Science. 8 (1), 132-147 (2020).
- Van Haaften, E. E., Wissing, T. B., Kurniawan, N. A., Smits, A. I. P. M., Bouten, C. V. C. Human in vitro model mimicking material-driven vascular regeneration reveals how cyclic stretch and shear stress differentially modulate inflammation and matrix deposition. Advanced Biosystems. 4 (6), 1900249 (2020).
- Ballotta, V., Smits, A. I. P. M., Driessen-Mol, A., Bouten, C. V. C., Baaijens, F. P. T. Synergistic protein secretion by mesenchymal stromal cells seeded in 3D scaffolds and circulating leukocytes in physiological flow. Biomaterials. 35 (33), 9100-9113 (2014).
- Bonito, V., de Kort, B. J., Bouten, C. V. C., Smits, A. I. P. M. Cyclic strain affects macrophage cytokine secretion and extracellular matrix turnover in electrospun scaffolds. Tissue Engineering Part A. 25 (17-18), 1310-1325 (2019).
- Battiston, K. G., Labow, R. S., Simmons, C. A., Santerre, J. P. Immunomodulatory polymeric scaffold enhances extracellular matrix production in cell co-cultures under dynamic mechanical stimulation. Acta Biomaterialia. 24, 74-86 (2015).
- Smits, A. I. P. M., Driessen-Mol, A., Bouten, C. V. C., Baaijens, F. P. T. A mesofluidics-based test platform for systematic development of scaffolds for in situ cardiovascular tissue engineering. Tissue Engineering Part C: Methods. 18 (6), 475-485 (2012).
- Smits, A. I. P. M., Ballotta, V., Driessen-Mol, A., Bouten, C. V. C., Baaijens, F. P. T. T. Shear flow affects selective monocyte recruitment into MCP-1-loaded scaffolds. Journal of Cellular and Molecular Medicine. 18 (11), 2176-2188 (2014).
- Ballotta, V., Smits, A. I. P. M., Driessen-Mol, A., Bouten, C. V. C., Baaijens, F. P. T. Synergistic protein secretion by mesenchymal stromal cells seeded in 3D scaffolds and circulating leukocytes in physiological flow. Biomaterials. 35 (33), 9100-9113 (2014).
- Fahy, N., Menzel, U., Alini, M., Stoddart, M. J. Shear and dynamic compression modulates the inflammatory phenotype of human monocytes in vitro. Frontiers in Immunology. 10, 383 (2019).
- Pennings, I., et al. Layer-specific cell differentiation in bi-layered vascular grafts under flow perfusion. Biofabrication. 12 (1), 015009 (2019).
- Wang, J., et al. Ex vivo blood vessel bioreactor for analysis of the biodegradation of magnesium stent models with and without vessel wall integration. Acta Biomater. 50, 546-555 (2017).
- Huang, A. H., et al. Design and use of a novel bioreactor for regeneration of biaxially stretched tissue-engineered vessels. Tissue Engineering. Part C, Methods. 21 (8), 841-851 (2015).
- Huang, A. H., Niklason, L. E. Engineering biological-based vascular grafts using a pulsatile bioreactor. Journal of Visualized Experiments. (52), e2646 (2011).
- Bono, N., et al. A Dual-mode bioreactor system for tissue engineered vascular models. Annals of Biomedical Engineering. 45 (6), 1496-1510 (2017).
- Wolf, F., et al. VascuTrainer: a mobile and disposable bioreactor system for the conditioning of tissue-engineered vascular grafts. Annals of Biomedical Engineering. 46 (4), 616-626 (2018).
- Ramaswamy, S., et al. A novel bioreactor for mechanobiological studies of engineered heart valve tissue formation under pulmonary arterial physiological flow conditions. Journal of Biomechanical Engineering. 136 (12), 121009 (2014).
- Piola, M., et al. A compact and automated ex vivo vessel culture system for the pulsatile pressure conditioning of human saphenous veins. Journal of Tissue Engineering and Regenerative Medicine. 10 (3), 204-215 (2016).
- Vanerio, N., Stijnen, M., de Mol, B. A. J. M., Kock, L. M. An innovative ex vivo vascular bioreactor as comprehensive tool to study the behavior of native blood vessels under physiologically relevant conditions. Journal of Engineering and Science in Medical Diagnostics and Therapy. 2 (4), (2019).
- Kural, M. H., Dai, G., Niklason, L. E., Gui, L. An ex vivo vessel injury model to study remodeling. Cell Transplantation. 27 (9), 1375-1389 (2018).
- Sinha, R., et al. A medium throughput device to study the effects of combinations of surface strains and fluid-flow shear stresses on cells. Lab on a Chip. 15 (2), 429-439 (2015).
- Beca, B. M., Sun, Y., Wong, E., Moraes, C., Simmons, C. A. Dynamic bioreactors with integrated microfabricated devices for mechanobiological screening. Tissue Engineering Part C: Methods. 25 (10), 581-592 (2019).
- Liu, H., Usprech, J., Sun, Y., Simmons, C. A. A microfabricated platform with hydrogel arrays for 3D mechanical stimulation of cells. Acta Biomaterialia. 34, 113-124 (2016).
- Szafron, J. M., Ramachandra, A. B., Breuer, C. K., Marsden, A. L., Humphrey, J. D. Optimization of tissue-engineered vascular graft design using computational modeling. Tissue Engineering Part C: Methods. 25 (10), 561-570 (2019).
- Emmert, M. Y., et al. Computational modeling guides tissue-engineered heart valve design for long-term in vivo performance in a translational sheep model. Science Translational Medicine. 10 (440), (2018).
- Mol, A., et al. Fibrin as a cell carrier in cardiovascular tissue engineering applications. Biomaterials. 26 (16), 3113-3121 (2005).
- van Kelle, M. A. J., et al. A Bioreactor to identify the driving mechanical stimuli of tissue growth and remodeling. Tissue Engineering Part C: Methods. 23 (6), (2017).
- van den Broek, C. N., et al. Medium with blood-analog mechanical properties for cardiovascular tissue culturing. Biorheology. 45 (6), 651-661 (2008).
