הנדסת רקמות: בנייה תאית 3D פיגום למשלוח גיליונות סלולריים שכבות
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
רקמות רבות, כגון לב האדם הבוגר, אינן מסוגלות להתחדש כראוי לאחר נזק. 2,3 אסטרטגיות בהנדסת רקמות להציע חידושים על מנת לסייע לגוף בהתאוששות ותיקון. לדוגמא, גישות TE ייתכן שתוכלנה להחליש לב שיפוץ לאחר אוטם שריר הלב (MI) ואולי להגדיל את סך תפקוד לב לרמתו ערב MI הנורמלי ליד. 4 כמו בכל רקמה פונקציונלית, התחדשות מוצלחת של רקמת לב כרוכה באספקה הנאותה של סוגי תאים מרובים עם רמזים סביבתיים העדפת אינטגרציה והישרדות של שתל תא / רקמה המושתלת. רקמות מהונדסות צריכים להתייחס פרמטרים רבים, כולל: אותות מסיסים, אינטראקציות תא אל התא, וחומרי מטריצה הוערכו ככלי רכב משלוח, ההשפעות שלהם על הישרדות תא, חוזק חומרים, וסיוע של ארגון תא אל רקמות. מחקרי העסקת ההזרקה הישירה של תאי שתל רק להתעלם היסודות החיוניים האלה. 2,5,6עיצוב רקמת שילוב מרכיבים אלו טרם פיתח. כאן, אנו מציגים דוגמא לעיצובים משולבים באמצעות שכבות של יריעות תא בדוגמת עם שני סוגים שונים של חומרים המופקים ביולוגיים המכילים את סוג תא איבר המטרה ותאי האנדותל לשיפור היווצרות כלי דם חדש ב" הרקמה ". למרות שהמחקרים האלה מתמקדים בדור של כמו לב רקמות, עיצוב רקמה זו יכול להיות מיושם על איברים רבים אחרים מאשר לב עם שינויים בעיצוב וחומר מינימאליים, והוא אמור להיות מוצר מהמדף לטיפולי משובי. הפרוטוקול מכיל חמישה שלבים מפורטים. טמפרטורת פולי הרגישים (-isopropylacrylamide N) (pNIPAAM) משמשת למאכלי תרבית רקמת מעיל. לאחר מכן, תאי רקמה ספציפית בתרבית על פני השטח של לוחות מצופים / משטחי micropattern כדי ליצור גיליונות תא עם הידבקויות לרוחב חזקות. שלישית, מטריצת בסיס נוצרה לרקמה על ידי שילוב של מטריצה נקבובית עם permissi neovascularve הידרוג ותאי האנדותל. לבסוף, גיליונות התא הם הרימו ממנות pNIPAAM המצופים והועברו למרכיב הבסיס, מה שהופך את המבנה השלם.
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
Representative Results
Discussion
השלבים הקריטיים בפרוטוקול כוללים: ציפוי משטחי צלחת עם פולימר thermoresponsive ומניפולציה של גיליונות התא לאחר קירור הצלחות. מכיוון שתאים שונים להציג תכונות פיזיות שונות, כמו adhesivity, זמן ההרמה צריך להיות מותאם לכל סוג תא אחר. המרכיב השני, ורוב מאתגר באופן משמעותי של פרוטוקול ז…
Disclosures
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 |
References
- Ohashi, K., Okano, T. Functional tissue engineering of the liver and islets. Anat Rec (Hoboken). 297, 73-82 (2014).
- 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).
- Jakob, P., Landmesser, U. Current status of cell-based therapy for heart failure. Curr Heart Fail Rep. 10, 165-176 (2013).
- 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).
- 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).
- Masuda, S., Shimizu, T., Yamato, M., Okano, T. Cell sheet engineering for heart tissue repair. Adv Drug Deliv Rev. 60, 277-285 (2008).
- Koh, G. Y., Soonpaa, M. H., Klug, M. G., Field, L. J. Strategies for myocardial repair. J Interv Cardiol. 8, 387-393 (1995).
- Li, R. K., et al. Construction of a bioengineered cardiac graft. J Thorac Cardiovasc Surg. 119, 368-375 (2000).
- 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).
- 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).
- Roell, W., et al. Cellular cardiomyoplasty improves survival after myocardial injury. Circulation. 105, 2435-2441 (2002).
- Soonpaa, M. H., et al. Potential approaches for myocardial regeneration. Ann N Y Acad Sci. 752, 446-454 (1995).
- Akins, R. E. Can tissue engineering mend broken hearts. Circ Res. 90, 120-122 (2002).
- Goodell, M. A., et al. Stem cell plasticity in muscle and bone marrow. Ann N Y Acad Sci. 938, 208-218 (2001).
- Menasche, P., et al. Myoblast transplantation for heart failure. Lancet. 357, 279-280 (2001).
- 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).
- Orlic, D., et al. Transplanted adult bone marrow cells repair myocardial infarcts in mice. Ann N Y Acad Sci. 938, 221-229 (2001).
- Elia, R., et al. Silk-hyaluronan-based composite hydrogels: a novel, securable vehicle for drug delivery. J Biomater Appl. 27, 749-762 (2013).
- Kai, D., et al. Stem cell-loaded nanofibrous patch promotes the regeneration of infarcted myocardium with functional improvement in rat model. Acta Biomater. , (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- Sato, M., Yamato, M., Hamahashi, K., Okano, T., Mochida, J. Articular cartilage regeneration using cell sheet technology. Anat Rec (Hoboken). 297, 36-43 (2014).
- Sawa, Y., Miyagawa, S. Present and future perspectives on cell sheet-based myocardial regeneration therapy. Biomed Res Int. 2013, 583912 (2013).
- 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).
- Song, J. J., Ott, H. C. Organ engineering based on decellularized matrix scaffolds. Trends Mol Med. 17, 424-432 (2011).
- 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).
- 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).
- Gilbert, T. W., et al. Collagen fiber alignment and biaxial mechanical behavior of porcine urinary bladder derived extracellular matrix. Biomaterials. 29, 4775-4782 (2008).
- 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).
