Ikke-ødeleggende overvåking av nedbrytbart stillaset-baserte vev-konstruert blod fartøy utvikling med Optical Coherence tomografi
Summary
En trinnvis protokoll for ikke-ødeleggende og lang-tid avlytting vaskulær remodeling og stillaset fornedrelse i sanntid kultur av biologisk nedbrytbart polymere stillaset-baserte vev-konstruert blodkar med pulsatile stimulering bruke optical coherence tomografi beskrives her.
Abstract
Foretatt vaskulær graftene med strukturelle og mekaniske egenskaper som ligner på naturlige blodkar er forventet å møte den økende etterspørselen etter arteriell omkjøringsvei. Karakteristikk av vekst dynamikken og remodeling prosessen av nedbrytbart polymer stillaset-baserte vev-konstruert blodkar (TEBVs) med pulsatile stimulering er avgjørende for vaskulær tissue engineering. Optisk Bildeteknikker fremstå som kraftig verktøy for å overvåke endometrial blodkar av konstruert vev aktivere høyoppløselige bilder i sanntid kultur. Dette dokumentet beskriver en ikke-ødeleggende og raskt sanntids imaging strategi for å overvåke vekst og remodeling av TEBVs i langsiktig kultur ved å bruke optical coherence tomografi (OCT). Geometriske morfologi evalueres, inkludert vaskulær remodeling prosessen, veggtykkelse og sammenligning av TEBV tykkelse i ulike kultur tidspunkt og tilstedeværelsen av pulsatile stimulering. Endelig OCT gir praktiske muligheter for sanntids observasjon av degradering av polymer i gjenoppbygging vev under pulsatile stimulering eller ikke, og i hver fartøyet segmentet, av sammenlignet med vurdering av polymer fornedrelse bruker skanning elektron microscopic(SEM) og polarisert mikroskop.
Introduction
Vev-konstruert blodkar (TEBVs) er den mest lovende materiale som en ideell vaskulær pode1. For å utvikle grafts være klinisk nyttig med lignende strukturelle og funksjonelle egenskaper som innfødt fartøy, er flere teknikker utformet for å opprettholde vaskulær funksjon2,3. Selv om det har vært foretatt fartøy med akseptabel patency priser under implantasjon som fase III klinisk studie4, viser langsiktig kultur og høye kostnader også nødvendigheten av å overvåke utviklingen av TEBVs. Forståelse av ekstracellulære matrix(ECM) vekst, ombygging og tilpasning prosesser i TEBVs i biomimetic chemo-mekanisk miljøet kan gi viktig informasjon for utvikling av vaskulær tissue engineering.
Den ideelle strategien å følge med utviklingen av liten diameter utviklet fartøy5 skal ikke-ødeleggende, sterile, langsgående, tredimensjonale og kvantitative. TEBVs under annen kultur forhold kan vurderes av denne imaging modalitet, selv inkludert endringer før og etter vaskulær transplantasjon. Strategier for å beskrive funksjoner av levende utvikling er nødvendig. Optisk Bildeteknikker tillate visualisering og kvantifisering av vev avsettelse og biologisk materiale. Andre fordeler er muligheten til å aktivere dype vev og etikett-fri bildebehandling med høy oppløsning6,7. Spesifikke molekyler og mindre lett tilgjengelig optisk utstyr for sanntids overvåking er imidlertid et betydelig praktisk hinder, som har begrenset omfattende bruk av lineære optisk mikroskopi. Optical coherence tomografi (OCT) er en optisk tilnærming med intravascular tenkelig modalitet som brukte klinisk verktøy å veilede cardiac intervensjonsradiologi terapi8. I litteraturen ble metoden OCT rapportert som en måte å vurdere veggtykkelse TEBVs9,10, kombinert med bekreftende tenkelig modaliteter for vaskulær tissue engineering research. Mens, dynamikken i konstruert vaskulær ble vekst og remodeling ikke observert.
I dette manuskriptet detalj vi utarbeidelse av biologisk nedbrytbart polymere stillaset-baserte TEBVs for fire uker kultur. Menneskelige umbilical arterier vaskulær glatt muskelceller (HUASMCs) er utvidet og sådd i en porøs nedbrytbar polyglycolic syre (PGA) stillaser i bioreactor. Biologisk nedbrytbart polymerer spille rollen i en midlertidig substrat for vev engineering og har en viss fornedrelse rate11. For å sikre et passende samsvar mellom stillaset fornedrelse og neo-vev formasjonen, er ECM og PGA stillasene avgjørende faktorer for effektiv vaskulær remodeling. Perfusjon systemet simulerer den biomekaniske microenvironment av innfødte fartøy og opprettholder en konsekvent deformasjon under press stimulering.
Målet med presentert protokollen er å beskrive en relativt enkel og destruktiv strategi for TEBVs imaging og langsiktig overvåking av kultur. Denne protokollen kan benyttes for visualisering av morfologiske endringer og tykkelsen av utviklet under annen kultur forhold. I tillegg kan analyser av polymer-baserte materialer fornedrelse i vevet engineering stillaser utføres for identifikasjon. Ved å kombinere metoder for scanning elektron microscopic(SEM) og polarisert mikroskop brukes i denne protokollen, korrelasjon og kvantifisering av ekstracellulær matrix distribusjon og PGA fornedrelse kan gjøres, som kan lette vurdering stillaset fornedrelse kombinert med OCT bildebehandling.
Protocol
Representative Results
Discussion
Generere konstruert fartøy med strukturelle og mekaniske egenskaper ligner de av innfødte blodkar kan føre til forkorte tiden for klinisk bruk og er det ultimate mål for vaskulær engineering. Optisk Bildeteknikker tillater visualisering av vev utvikling vaskulær bestemte komponenter, som ikke kan overvåke enkelte konstruksjoner hele kultur og eksponering grafts til en kultur miljø uten å svekke sterilitet7. I denne artikkelen, er kultur kammeret separert fra perfusjon systemet. Relativt u…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi ønsker å erkjenne vitenskap og teknologi planlegging prosjektet i Guangdong-provinsen i Kina (2016B070701007) for å støtte dette arbeidet.
Materials
| PGA mesh | Synthecon | ||
| silicone tube | Cole Parmer | ||
| connector | Cole Parmer | ||
| intravascular OCT system | St. Jude Medical, Inc | ILUMIEN™ OPTIS™ SYSTEM | |
| scanning electron microscopic | Philips | FEI Philips XL-30 | |
| polarized microscope | Olympus | Olympus BX51 | |
| sutures | Johnson & Johnson | ||
| pulsatile pump | Guangdong Cardiovascular Institute | ||
| LightLab Imaging software | St. Jude Medical, Inc |
References
- Chan-Park, M. B., et al. Biomimetic control of vascular smooth muscle cell morphology and phenotype for functional tissue-engineered small-diameter blood vessels. Journal of Biomedical Materials Research Part A. 88, 1104-1121 (2009).
- Ballyns, J. J., Bonassar, L. J. Image-guided tissue engineering. Journal of Cellular & Molecular Medicine. 13, 1428-1436 (2009).
- Smith, L. E., et al. A comparison of imaging methodologies for 3D tissue engineering. Microscopy Research & Technique. 73, 1123-1133 (2010).
- Chang, W. G., Niklason, L. E. A short discourse on vascular tissue engineering. NPJ Regenerative Medicine. 2, (2017).
- Appel, A. A., Anastasio, M. A., Larson, J. C., Brey, E. M. Imaging challenges in biomaterials and tissue engineering. Biomaterials. 34, 6615-6630 (2013).
- Rice, W. L., et al. Non-invasive characterization of structure and morphology of silk fibroin biomaterials using non-linear microscopy. Biomaterials. 29, 2015-2024 (2008).
- Niklason, L. E., et al. Enabling tools for engineering collagenous tissues integrating bioreactors, intravital imaging, and biomechanical modeling. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. , 3335-3339 (2010).
- Zheng, K., Rupnick, M. A., Liu, B., Brezinski, M. E. Three Dimensional OCT in the Engineering of Tissue Constructs: A Potentially Powerful Tool for Assessing Optimal Scaffold Structure. Open Tissue Engineering & Regenerative Medicine Journal. 2, 8-13 (2009).
- Gurjarpadhye, A. A., et al. Imaging and characterization of bioengineered blood vessels within a bioreactor using free-space and catheter-based OCT. Lasers in Surgery and Medicine. 45, 391-400 (2013).
- Chen, W., et al. In vitro remodeling and structural characterization of degradable polymer scaffold-based tissue-engineered vascular grafts using optical coherence tomography. Cell & Tissue Research. 370, 417-426 (2017).
- Naito, Y., et al. Characterization of the natural history of extracellular matrix production in tissue-engineered vascular grafts during neovessel formation. Cells Tissues Organs. 195, 60-72 (2012).
- Ye, C., et al. The design conception and realization of pulsatile ventricular assist devices-from Spiral-Vortex pump to Luo-Ye pump. Chinese Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 9, 35-40 (2002).
- Chen, W., et al. Application of optical coherence tomography in tissue engineered blood vessel culture based on Luo-Ye pump. Chinese Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 31, 687-690 (2015).
- Pickering, J. G., Boughner, D. R., et al. Quantitative assessment of the age of fibrotic lesions using polarized light microscopy and digital image analysis. American Journal of Pathology. 138, 1225-1231 (1991).
- Martinho, J. A., et al. Dependence of optical attenuation coefficient and mechanical tension of irradiated human cartilage measured by optical coherence tomography. Cell Tissue Bank. 16, 47-53 (2015).
- Poirierquinot, M., et al. High-resolution 1.5-Tesla magnetic resonance imaging for tissue-engineered constructs: a noninvasive tool to assess three-dimensional scaffold architecture and cell seeding. Tissue Engineering Part C Methods. 16, 185-200 (2010).
- Naito, Y., et al. Beyond burst pressure: initial evaluation of the natural history of the biaxial mechanical properties of tissue-engineered vascular grafts in the venous circulation using a murine model. Tissue Engineering Part A. 20, 346-355 (2014).
- Smart, N., Dube, K. N., Riley, P. R. Coronary vessel development and insight towards neovascular therapy. International Journal of Clinical and Experimental Pathology. 90, 262-283 (2009).
