Skalning av Engineered kärlimplantat Använda 3D tryckta guider och Ring Stacking Method
Summary
Skal engineered blodkärl skulle förbättra den kliniska tillämpningen. Med användning av lätt ansenliga 3D-tryckta guider, var ringar av vaskulär glatt muskulatur skapas och staplas in i en rörform, som bildar en kärltransplantat. Transplantat kan dimensioneras för att möta de olika mänskliga kransartär dimensioner genom att helt enkelt ändra 3D-tryckta guiden storlek.
Abstract
Kranskärlssjukdom förblir en ledande dödsorsak och drabbar miljontals amerikaner. Med bristen på autologa kärltransplantat tillgängliga tekniska transplantat erbjuder stora möjligheter för patientbehandling. Emellertid engineered vaskulära transplantat är i allmänhet inte lätt skalbara, vilket kräver tillverkning av anpassade gjutformen eller polymerrören för att anpassa efter olika storlekar, som utgör en tidskrävande och kostsamt förfarande. Mänskliga artärer varierar i lumen diameter från cirka 2,0 till 38 mm och i tjocklek från ca 0,5 till 2,5 mm. Vi har skapat en metod, benämnd "ring Stacking Method", där varierande storlek ringar av vävnad i önskad celltyp, visade här med vaskulära glatta muskelceller (SMC), kan skapas med guider centrum inlägg att kontrollera lumen diameter och yttre skalen att diktera kärlets väggtjocklek. Dessa vävnadsringar staplas sedan för att skapa en rörformad konstrukt, som imiterar den naturliga formen av ett blodkärl. Fartyget längd kan be skräddarsys genom att helt enkelt stapla antalet ringsignaler som krävs för att utgöra den längd som behövs. Med vår teknik kan vävnader från i form av rör, liknande ett blodkärl, lätt tillverkas i en mängd olika dimensioner och längder för att möta behoven hos kliniken och patienten.
Introduction
Vid behandling av kransartärsjukdom (CAD), är en patients egna blodkärl skördas som ympmaterial för bypass-kirurgi. Men ofta, sjuka patienter har inte livskraftiga fartyg att donera till sig, och i de fall där de gör, givarstället orsakar betydande extra skada och har en allvarlig risk för infektion. 1 Engineered kärlimplantat skulle kunna fylla detta behov. Skalbarhet är av yttersta vikt för ingenjörs fartyg för att möta det breda utbudet av patientens behov fartygets storlek. Men nuvarande metoder för tekniska fartyg inte skalbar, och kräver typiskt nytillverkning av komplexa formar eller polymerstöd. Mest konstruerade transplantat antingen använda en polymer tubulär schavotten som ympas med kärl fibroblaster, glatt muskulatur, eller endotelceller; eller rullande en cellarket runt en dorn för att skapa en vävnadsröret. Två konstruerade vaskulära transplantat i kliniska prövningar bygger på en decellularized polymer-ECM-plattform. 2, 3, 4 Polymer transplantat tillgängliga för användning i vaskulär reparation är redan kända för att ha problem med öppenhet, som kan uppstå som en viktig fråga med långvarig användning av ett transplantat med en varaktig närvaro polymer. Rörformiga formar har använts för att tillverka helt cellulära fartyg, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 vilka förfaranden skulle kräva ytterligare konstruktion och verktygstillverkning för anpassade formar för att producera fartyg i olika storlekar .
Den metod som beskrivs häri, omfattar en ny teknik för att skapa skalbar engineered vaskulärtransplantat använder anpassningsbara 3D tryckta insatser och traditionella odlingsplattor. 14 Celler såddes i plattor med skär av en central post och yttre skal. efterhandskontroller lumen diameter och tillåter encellsskiktet att själv montera in en ring av vävnad. Det yttre skalet styr tjockleken av ringen, och därmed väggtjockleken hos den slutliga kärlet. Genomförda vävnadsringar staplas sedan till bildande av en rörformig, kärltransplantat. Fördelen med denna metod, benämnd "ring Stacking Method" är att vidhäftande celltyp kan ympas in i plattan inställning och vävnadsringar eller rör av alla storlekar som krävs för den önskade applikationen kan genereras genom att helt enkelt modifiera styrinsatser. Jämförande tekniker i vävnadsteknik SKAPA ringar av vävnad förblir svåra att skala, 15, 16 kräver nytillverkning av formar för varje önskad storlek. Dessutom, vaskulära transplantat med användning av denna metod kan producerad på 2-3 veckor, flera veckor snabbare jämfört med andra tekniska fartyg. 6 För kliniken, kan den här gången diskrepans göra en betydande skillnad i behandling av en försämrad patient.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ring Stacking metoden ger flera fördelar jämfört med nuvarande vaskulära vävnadsutvecklad konstruktion tekniker. RSM kan anpassas för att skapa mänskliga fartyg oavsett storlek genom att helt enkelt anpassa post och yttre skal dimensioner. Vår metod möjliggör utveckling av polymerfria engineered fartyg som består endast av mänskliga celler och snabbt nedbrytbara bärarmaterialet som finns i kroppens naturliga sårläkningsprocessen. Polymer transplantat är kända för att orsaka restenos i kliniken och kan …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna vill tacka våra kolleger Lam labb kollegor Ammar Chishti och Bijal Patel för deras vänliga hjälp med några av histologi och cellodling. Finansieringen kom från Wayne State University nanoFellowShip (CBP), startpeng och Cardiovascular Research Institute Seed Grant (MTL).
Materials
| Human Aortic Smooth Muscle Cells | ATCC | PCS-100-012 | vascular smooth muscle cells |
| Medium 231 | Gibco (Life Technologies | M-231-500 | media specific to vascular smooth muscle cells |
| Human Aortic Smooth Muscle Cell Growth Kit | ATCC | PSC-100-042 | growth factors for maintaining vascular smooth muscle cell viability |
| Replicator Mini 3D printer | MakerBot | N/A | 3D printer |
| Poly(lactic acid) 3D ink (PLA) | MakerBot | N/A | 3D printer filament |
| Poly(dimethlysiloxane) (PDMS) | Ellworth Adhesives | 3097358-1004 | polymer for gluing plate parts |
| Fibrinogen | Hyclone Labratories, Inc. | SH30256.01 | fibrin gel component |
| Thrombin | Sigma Life Sciences | F3879-5G | fibrin gel component |
| Tranforming Growth Factor-Beta 1 | PeproTech | 100-21 | growth factor for stimulating collagen production |
| Hemocytometer | Hausser Scientific Co. | 3200 | for cell counting |
| Polycarbonate tubing | US Plastics | PCTUB1.750X1.625 | material for making tall, ring stacking plates |
| Polycarbonate sheet | Home Depot | 409497 | material for making tall, ring stacking plates |
| Adhesive polymer solvent | SCIGRIP | 10799 | material for making tall, ring stacking plates |
| Instron 5940 | Instron | N/A | tensile testing machine |
| U-Stretch | Cell Scale | N/A | tensile testing machine |
| Smooth Muscle Actin | MA5-11547 | Thermo Fisher | antibody |
| Tropomyosin | MA5-11783 | Thermo Fisher | antibody |
References
- Luciani, G. B., et al. Operative risk and outcome of surgery in adults with congenital valve disease. ASAIO J. 54 (5), 458-462 (2008).
- Lawson, J. H., et al. Bioengineered human acellular vessels for dialysis access in patients with end-stage renal disease: two phase 2 single-arm trials. Lancet. 14 (387), 2026-2034 (2016).
- McAllister, T. N., et al. Effectiveness of haemodialysis access with an autologous tissue-engineered vascular graft: a multicentre cohort study. Lancet. 373 (9673), 1440-1446 (2009).
- Wystrychowski, W., et al. First human use of an allogeneic tissue-engineered vascular graft for hemodialysis access. J Vasc Surg. 60 (5), 1353-1357 (2014).
- Konig, G., et al. Mechanical properties of completely autologous human tissue engineered blood vessels compared to human saphenous vein and mammary artery. Biomaterials. 30 (8), 1542-1550 (2009).
- Gui, L., et al. Construction of tissue-engineered small-diameter vascular grafts in fibrin scaffolds in 30 days. Tissue Eng Part A. 20 (9-10), 1499-1507 (2014).
- Sundaram, S., Echter, A., Sivarapatna, A., Qiu, C., Niklason, L. Small-diameter vascular graft engineered using human embryonic stem cell-derived mesenchymal cells. Tissue Eng Part A. 20 (3-4), 740-750 (2014).
- Quint, C., Arief, M., Muto, A., Dardik, A., Niklason, L. E. Allogeneic human tissue-engineered blood vessel. J Vasc Surg. 55 (3), 790-798 (2012).
- Quint, C., et al. Decellularized tissue-engineered blood vessel as an arterial conduit. Proc Natl Acad Sci U S A. 31 (108), 9214-9219 (2011).
- Dahl, S. L., et al. Readily available tissue-engineered vascular grafts. Sci Transl Med. 2 (68), (2011).
- Syedain, Z. H., Meier, L. A., Lahti, M. T., Johnson, S. L., Tranquillo, R. T. Implantation of completely biological engineered grafts following decellularization into the sheep femoral artery. Tissue Eng Part A. 20 (11-12), 1726-1734 (2014).
- Syedain, Z. H., Meier, L. A., Bjork, J. W., Lee, A., Tranquillo, R. T. Implantable arterial grafts from human fibroblasts and fibrin using a multi-graft pulsed flow-stretch bioreactor with noninvasive strength monitoring. Biomaterials. 32 (3), 714-722 (2011).
- Meier, L. A., et al. Blood outgrowth endothelial cells alter remodeling of completely biological engineered grafts implanted into the sheep femoral artery. J Cardiovasc Transl Res. 7 (2), 242-249 (2014).
- Pinnock, C. B., Meier, E. M., Joshi, N. N., Wu, B., Lam, M. T. Customizable engineered blood vessels using 3D printed inserts. Methods. S1046-2023 (15), 30184-30185 (2015).
- Blakely, A. M., Manning, K. L., Tripathi, A., Morgan, J. R. Bio-Pick, Place,and Perfuse: A New Instrument for Three-Dimensional Tissue Engineering. Tissue Eng Part C Methods. 21 (7), 737-746 (2015).
- Gwyther, T. A., et al. Engineered vascular tissue fabricated from aggregated smooth muscle cells. Cells Tissues Organs. 194 (1), 13-24 (2011).
- Fearon, W. F., et al. Changes in coronary arterial dimensions early after cardiac transplantation. Transplantation. 27 (6), 700-705 (2007).
- Erbel, R., Eggebrecht, H. Aortic dimensions and the risk of dissection. Heart. 92 (1), 137-142 (2006).
- Ha, D. M., et al. Transforming growth factor-beta 1 produced by vascular smooth muscle cells predicts fibrosis in the gastrocnemius of patients with peripheral artery disease. J Transl Med. 14, 39 (2016).
- Skalli, O., et al. Alpha-smooth muscle actin, a differentiation marker of smooth muscle cells, is present in microfilamentous bundles of pericytes. J Histochem Cytochem. 37 (3), 315-321 (1989).
- von der Ecken, J., et al. Structure of the F-actin-tropomyosin complex. Nature. 519 (7541), 114-117 (2015).
