Implantation de fibrine Gel sur la souris Lung pour étudier l'angiogenèse pulmonaire spécifique

Summary

Recapitulation of the organ-specific microenvironment, which stimulates local angiogenesis, is indispensable for successful regeneration of damaged tissues. This report demonstrates a novel method to implant fibrin gels on the lung surface of living mouse in order to explore how the lung-specific microenvironment modulates angiogenesis and alveolar regeneration in adult mouse.

Abstract

Les récents progrès significatifs dans les techniques de recherche sur les cellules souches et génie biologique ont fait de grands progrès dans l'utilisation de biomatériaux pour régénérer et réparer les dommages dans les tissus simples dans les domaines orthopédique et parodontales. Cependant, les tentatives pour régénérer les structures et les fonctions des organes (3D) en trois dimensions plus complexes tels que les poumons ne ont pas eu beaucoup de succès parce que les processus biologiques de la régénération d'organes ne ont pas été bien explorée. Il devient clair que l'angiogenèse, la formation de nouveaux vaisseaux sanguins, joue un rôle clé dans la régénération des organes. Vascularisations nouvellement formé non seulement fournir de l'oxygène, de nutriments et de divers composants cellulaires qui sont requis pour la régénération des organes, mais également à fournir des signaux instructifs régénération des tissus locaux. Par conséquent, pour régénérer avec succès dans les poumons d'un adulte, il est nécessaire de rappeler les micro-environnements spécifiques au poumon dans lequel l'angiogenèse lecteurs régénération des tissus pulmonaires locaux. Bien que conventional essais in vivo de l'angiogenèse, telles que l'implantation sous-cutanée de la matrice extracellulaire (ECM) riche en hydrogels (par exemple, la fibrine ou collagène gels ou Matrigel – mélange de protéines d'ECM sécrétée par des cellules de sarcome Engelbreth-Holm-Swarm souris), sont largement utilisés pour explorer la mécanismes généraux de l'angiogenèse, l'angiogenèse spécifique poumon n'a pas été bien caractérisé parce que les méthodes d'implantation orthotopique de biomatériaux dans les poumons ne ont pas été bien établie. L'objectif de ce protocole est de présenter une méthode unique pour implanter gel de fibrine sur la surface du poumon de souris vivant adulte, permettant la réexposition succès de l'hôte angiogenèse pulmonaire dérivés à l'intérieur du gel. Cette approche permet aux chercheurs d'explorer les mécanismes par lesquels le microenvironnement spécifique poumon Contrôles angiogenèse et la régénération alvéolaire dans les deux conditions normales et pathologiques. Depuis biomatériaux implantés libération et fournir des signaux physiques et chimiques à l adjacentetissus ung, l'implantation de ces biomatériaux sur poumon malade peuvent potentiellement normaliser les tissus malades adjacentes, permettant aux chercheurs de développer de nouvelles approches thérapeutiques pour divers types de maladies pulmonaires.

Introduction

L'objectif global de ce protocole est de présenter une méthode pour implanter gel de fibrine sur la surface du poumon de souris adultes, qui permet aux chercheurs de caractériser les mécanismes moléculaires de la vasculaire pulmonaire et le développement alvéolaire et de tirer parti de cette connaissance afin de développer les matériaux biomimétiques capables de récapituler vasculaire pulmonaire alvéolaire formation physiologique et pour traiter diverses maladies pulmonaires.

Plus de 35 millions d'Américains souffrent de maladies pulmonaires chroniques, y compris la maladie pulmonaire obstructive chronique et la fibrose pulmonaire. Ces patients ont des symptômes durables respiratoires chroniques tels que l'essoufflement, oppression thoracique, toux tenace, et la fatigue, qui limitent de façon importante leur vie quotidienne ^1-3. Malgré une grande quantité d'efforts pour développer des thérapies efficaces pour ces maladies pulmonaires, il ne existe actuellement aucun remède; par conséquent, la qualité de vie de ces patients est médiocre et économique et les coûts humains sont salutgh ^7.4. Actuellement, la transplantation pulmonaire est la seule façon de sauver les patients atteints de maladies pulmonaires chroniques en phase terminale. Toutefois, en raison de la pénurie de donneurs de greffe, le coût élevé, des complications graves, et le faible taux de survie ^8-11, la transplantation ne est pas une approche optimale. Les récents progrès rapides des techniques d'ingénierie tissulaire a permis aux chercheurs de bioingénieur poumon implantable par repeupler tout le poumon décellularisée avec différents types de cellules progénitrices ou cellules souches pluripotentes induites (iPS) ^12,13. Cependant, ces poumons transgéniques sont fonctionnels chez les animaux hôtes que pendant quelques heures après l'implantation ^12,14,15. Utilisant biomatériaux pour régénérer les structures complexes et fonctions de poumons a également été assez infructueux. Cela peut être parce que les processus biologiques fondamentaux qui régissent adultes régénération du poumon ne ont pas été bien explorée. Dans le poumon, la formation du système vasculaire est l'un des événements les plus précoces et les plus importants durile développement et la régénération ^16-21 ng. Nouvellement formé vascularisations dans le poumon non seulement fournir de l'oxygène, de nutriments et divers composants cellulaires nécessaires à la formation d'organes, mais aussi fournir des signaux réglementaires instructifs aux cellules environnantes ^22-25. Ainsi, l'angiogenèse joue un rôle clé dans alvéolarisation régénérative dans les poumons adultes ^24,26,27. En outre, l'angiogenèse contribue à déréglementé maladies pulmonaires chroniques telles que la maladie pulmonaire obstructive chronique (MPOC) ^28, la dysplasie bronchopulmonaire (DBP) ^21-23, et la fibrose pulmonaire ^29. Ainsi, pour élaborer des stratégies plus efficaces pour l'ingénierie poumons ou traiter les maladies pulmonaires chroniques, il est nécessaire de comprendre les mécanismes fondamentaux de l'angiogenèse spécifique poumon.

Chaque organe présente des propriétés mécaniques et chimiques uniques, qui peuvent différer entre les conditions physiologiques et pathologiques ^30-33. Ces microenviron spécifique d'organements régulent les comportements des cellules endotheliales et orchestrent la formation du réseau vasculaire d'une manière spécifique d'un organe ^24,34-36. Ainsi, pour élaborer des stratégies plus efficaces pour la régénération du poumon, le mécanisme sous-jacent angiogenèse spécifique poumon doit être compris. Bien que des dosages classiques de l'angiogenèse in vivo telles que sous-cutanée hydrogel implantation ont été largement utilisés pour la recherche de l'angiogenèse ^{37 à 39,} ces méthodes ne récapitulent angiogenèse spécifique d'un organe. Récemment, un nouveau procédé pour implanter Matrigel dans un moule élastique sur le poumon de la souris a été développé et montré avec succès à recruter des vaisseaux sanguins et des cellules epitheliales pulmonaires dans les ²² gels. Cette approche unique permet aux chercheurs d'explorer le mécanisme spécifique de l'angiogenèse-poumon ainsi que les interactions entre les vaisseaux sanguins et des cellules pulmonaires non-vasculaires dans des conditions physiologiques et pathologiques. Depuis 1) Matrigel ne est pas adapté pour une application clinique; 2) l'emoule lastic utilisé pour couler le gel peut affecter les interactions entre les hydrogels et les tissus pulmonaires d'accueil et 3) le moule élastique sur le poumon provoque potentiellement altération de la fonction pulmonaire et des douleurs lors de la respiration, comme une approche plus cliniquement pertinente, une matrice de fibrine 3D contenant des facteurs angiogéniques (facteur de croissance vasculaire endothélial (VEGF) / facteur de croissance basique des fibroblastes (bFGF)) a été implanté dans le poumon de souris sans coulée dans le moule élastique, et a récapitulé avec succès hôte angiogenèse dérivé du poumon. gel de fibrine, les fibrilles de polymère provenant de la thrombine du fibrinogène clivé, est connu pour piéger une variété de facteurs angiogéniques tels que le VEGF et le bFGF à accélérer l'angiogenèse in vivo ^40,41. En raison de sa capacité de régénération et de la nature biodégradable ^42, le gel de fibrine est largement utilisé dans le domaine de l'ingénierie tissulaire.

Cet article présente une approche nouvelle et unique d'implanter gel de fibrine sur la surface du poumon des adul vivret souris et démontre que l'hôte angiogenèse pulmonaire dérivé est récapitulé à l'intérieur des gels in vivo. Cette méthode, qui permet aux chercheurs d'étudier l'angiogenèse spécifique poumon, sera probablement conduire au développement de nouvelles approches thérapeutiques pour divers types de maladies pulmonaires et de faire progresser de manière significative les efforts pour régénérer avec succès poumon adulte.

Protocol

NOTE: L'étude in vivo chez des animaux a été réalisée en stricte conformité avec les recommandations du Guide pour le soin et l'utilisation des animaux de laboratoire des National Institutes of Health. Le protocole a été examiné et approuvé par le soin et l'utilisation des animaux du Comité Hôpital pour enfants de Boston (numéros de protocole: 13-10-2526R, 14-02-2568R). Tous les médicaments utilisés dans ce protocole sont de qualité pharmaceutique et ces médicaments sont préparés …

Representative Results

Afin de déterminer si la formation vasculaire pulmonaire dérivées hôte est récapitulée à l'intérieur des biomatériaux implantés sur le poumon, des gels de fibrine complétées avec majeur facteurs angiogéniques VEGF et bFGF (0, 10 et 100 ng / ml chacun) ont été implantés sur la surface du poumon de souris vivant que ont déclaré utiliser Matrigel 22. des gels de fibrine 47 qui contiennent ces facteurs de croissance angiogéniques ont été fabriquées conformément à la …

Discussion

Cet article présente une nouvelle méthode pour implanter biomatériaux sur la surface du poumon de souris adulte vivant. Avec ce système, l'angiogenèse hôte poumon dérivé est récapitulé avec succès à l'intérieur du matériau. Ce système permet aux chercheurs d'explorer la diaphonie entre les cellules endotheliales, d'autres cellules (par exemple, des cellules épithéliales, des cellules mésenchymateuses, des cellules immunitaires) et divers composants de l'ECM qui sont nécess…

Materials

Name of Material/ Equipment	Company	Catalog Number	Comments/Description
Fibrinogen from human placenta	Sigma	F4883	For fabrication of fibrin gel
Thrombin from bovine plasma	Sigma	T9549	For fabrication of fibrin gel
Recombinant mouse VEGF 164	R&D	493-MV	For supplementation to fibrin gel
Recombinant mouse bFGF	R&D	3139-FB	For supplementation to fibrin gel
Rodent Intubation Stand	Braintree Scientific INC	RIS 100	For intubation
Fiber-Optic Light Source	Fisher Scientific	12-565-35	For intubation
20G Elastic catheter	B.Braun	4251652-02	For intubation
MiniVent Ventilator	Harvard Apparatus	CGS-8009	For ventilation
Stemi DV4 Steromicroscope	Fisher Scientific	12-070-515	For surgey
Absobable suture	Ethicon	PDP304	Surgical suture
Antibody against CD31	BD Biosciences	553370	Immunohistochemistry
Antibody against AQP5	Abcam	AB78486	Immunohistochemistry
Antibody against SP-B	Millipore	AB40876	Immunohistochemistry