Een multi-cue bioreactor om de inflammatoire en regeneratieve capaciteit van biomaterialen onder flow en stretch te evalueren
Summary
Het doel van dit protocol is om een dynamische co-cultuur van menselijke macrofagen en myofibroblasten in buisvormige elektrospunsteigers uit te voeren om materiaalgestuurde weefselregeneratie te onderzoeken, met behulp van een bioreactor die het ontkoppelen van schuifspanning en cyclische rek mogelijk maakt.
Abstract
Het gebruik van resorbeerbare biomaterialen om regeneratie direct in het lichaam te induceren is een aantrekkelijke strategie vanuit een translationeel perspectief. Dergelijke materialen induceren een ontstekingsreactie bij implantatie, die de oorzaak is van daaropvolgende resorptie van het materiaal en de regeneratie van nieuw weefsel. Deze strategie, ook bekend als in situ tissue engineering, wordt nagestreefd om cardiovasculaire vervangingen zoals weefsel-engineered vasculaire grafts te verkrijgen. Zowel de ontstekings- als de regeneratieve processen worden bepaald door de lokale biomechanische signalen op de steiger (d.w.z. rek- en schuifspanning). Hier beschrijven we in detail het gebruik van een op maat ontwikkelde bioreactor die op unieke wijze het ontkoppelen van rek- en schuifspanning op een buisvormige steiger mogelijk maakt. Dit maakt een systematische en gestandaardiseerde evaluatie mogelijk van het ontstekings- en regeneratieve vermogen van buisvormige steigers onder invloed van goed gecontroleerde mechanische belastingen, wat we aantonen op basis van een dynamisch co-cultuurexperiment met menselijke macrofagen en myofibroblasten. De belangrijkste praktische stappen in deze aanpak – de bouw en het opzetten van de bioreactor, de voorbereiding van de steigers en het zaaien van cellen, het aanbrengen en onderhouden van rek- en afschuifstroom en het oogsten van monsters voor analyse – worden in detail besproken.
Introduction
Cardiovasculaire weefseltechniek (TE) wordt nagestreefd als een alternatieve behandelingsoptie voor de momenteel gebruikte permanente cardiovasculaire prothesen (bijv. vasculaire grafts, hartklepvervangingen), die suboptimaal zijn voor grote cohorten van patiënten1,2,3,4. Veelgevraagde toepassingen zijn weefselgeïnjeneerde vasculaire grafts (TEVGs)5,6 en hartkleppen (TEHVs)7,8. Meestal maken cardiovasculaire TE-methodieken gebruik van resorbeerbare biomaterialen (natuurlijk of synthetisch) die dienen als een leerzame steiger voor het nieuwe weefsel dat moet worden gevormd. De vorming van nieuw weefsel kan volledig in vitro worden ontworpen, door de steiger met cellen te zaaien en te cultiveren in een bioreactor voorafgaand aan implantatie (in vitro TE)9,10,11, of direct in situ, waarbij de synthetische steiger wordt geïmplanteerd zonder voorkweek om de vorming van nieuw weefsel rechtstreeks in het lichaam te induceren (in situ TE)12,13,14. Voor zowel in vitro als in situ cardiovasculaire TE-benaderingen is succesvolle functionele regeneratie dominant afhankelijk van zowel de immuunrespons van de gastheer op de geïmplanteerde constructie als de juiste biomechanische belasting.
Het belang van biomechanische belasting voor cardiovasculaire TE wordt algemeen erkend15. In het geval van cardiovasculaire implantaten worden de cellen die de steiger bevolken blootgesteld aan cyclische rek- en schuifspanningen die ontstaan als gevolg van de hemodynamische omgeving. Talrijke studies hebben het stimulerende effect van (cyclische) rek op de vorming van matrixcomponenten, zoals collageen16, 17,18,19,glycosaminoglycanen (GAGs)20, en elastine21,22, door verschillende celtypen gerapporteerd. Huang et al. toonden bijvoorbeeld aan dat biaxiale stretch de afzetting en organisatie van collageen en elastine in in vitro TEVGs verhoogde met behulp van een vasculaire bioreactor23. Hoewel de nadruk meestal ligt op rek als dominante belasting, maken deze studies vaak gebruik van door debiet aangedreven bioreactoren waarin het monster ook wordt blootgesteld aan afschuifstroom. Hoewel er relatief weinig bekend is over de geïsoleerde invloed van afschuifspanningen op weefselvorming en ontsteking in 3D, zijn er enkele gegevens beschikbaar. Zo toonden Hinderer et al. en Eoh et al. aan dat afschuifstroom, naast een 3D steigermicrostructuur, belangrijk was voor de vorming van volwassen elastine door menselijke vasculaire gladde spiercellen in een in vitro modelsysteem24,25. Al met al illustreren deze bevindingen de relevantie van zowel cyclische rek- als afschuifspanning voor cardiovasculaire TE.
Een andere belangrijke bepalende factor voor het succes of falen van TE-implantaten is de immuunrespons van de gastheer op de geïmplanteerdeent 26. Dit is met name belangrijk voor materiaalgestuurde TE-strategieën in situ, die eigenlijk afhankelijk zijn van de acute ontstekingsreactie op de steiger om de daaropvolgende processen van cellulaire instroom en endogene weefselvorming en remodellering op gang te brengen27. De macrofaag is een kritische initiator van functionele weefselregeneratie, wat is aangetoond door meerdere studies28,29,30. Analoog aan wondgenezing wordt de regeneratie van weefsel geregeld door paracrinesignalering tussen macrofagen en weefselproducerende cellen zoals fibroblasten en myofibroblasten31,32,33. Naast het coördineren van nieuwe weefseldepositie zijn macrofagen betrokken bij de actieve resorptie van vreemd steigermateriaal34,35. Als zodanig is de in vitro macrofaagrespons op een biomateriaal geïdentificeerd als een voorspellende parameter voor het in vivo succes van implantaten36,37,38.
De macrofaagrespons op een geïmplanteerde steiger is afhankelijk van steigerontwerpkenmerken zoals materiaalsamenstelling en microstructuur35,39,40. Naast steigereigenschappen wordt ook de macrofaagrespons op een steiger en hun overspraak met myofibroblasten beïnvloed door hemodynamische belastingen. Cyclische stretch bleek bijvoorbeeld een belangrijke modulator te zijn van macrofaagfenotype41,42,43,44 en de afscheiding van cytokinen43,44,45,46 in 3D-elektrospunsteigers. Battiston et al. toonden met behulp van een co-kweeksysteem van macrofagen en vasculaire gladde spiercellen aan dat de aanwezigheid van macrofagen leidde tot verhoogde niveaus van elastine en GAG’s en dat matige niveaus van cyclische stretch (1,07-1,10) de afzetting van collageen I en elastine47stimuleerden . In eerdere werken hebben we aangetoond dat schuifspanning een belangrijke determinant is voor monocytwerving in 3D-elektrospunsteigers48,49, en dat zowel schuifspanning als cyclische rek de paracrinesignalering tussen menselijke monocyten en mesenchymale stromale cellenbeïnvloeden 50. Fahy et al. toonden aan dat de afschuifstroom de afscheiding van pro-inflammatoire cytokinen door menselijke monocyten verhoogde51.
Al met al toont het bovenstaande bewijs aan dat een adequaat begrip van en controle over hemodynamische belastingen cruciaal is voor cardiovasculaire TE, en dat het belangrijk is om de ontstekingsreactie te overwegen om dit te bereiken. Talrijke bioreactoren zijn eerder beschreven voor de in vitro52,53,54,55,56,57,58 of ex vivo59,60,61 kweek van cardiovasculaire weefsels. Al deze systemen zijn echter ontworpen om de fysiologische hemodynamische belastingsomstandigheden zoveel mogelijk na te bootsen. Hoewel dit zeer waardevol is voor het creëren van cardiovasculaire weefsels in vitro of het handhaven van ex vivo-culturen, maken dergelijke systemen geen systematisch onderzoek naar de individuele effecten van individuele signalen mogelijk. Dit komt omdat de toepassing van zowel cyclische rek- als schuifspanning in deze bioreactoren wordt aangedreven door dezelfde drukstroom, die ze intrinsiek verbindt. Hoewel microsystemen die nauwkeurige multi-cue mechanische manipulatie mogelijk maken, zijn beschreven voor 2D-substraten62 of 3D-hydrogelopstellingen63,64, maken dergelijke opstellingen het niet mogelijk om elastomeer 3D-biomateriaalsteigers op te zetten.
Hier presenteren we de toepassing van een buisvormig bioreactorsysteem dat op unieke wijze de ontkoppeling van schuifspanning en cyclische rek mogelijk maakt en helpt om hun individuele en gecombineerde effecten mechanistisch te onderzoeken. Dit systeem maakt het mogelijk om een breed scala aan weefselgeënskundig vasculaire grafts te testen (bijv. synthetische of natuurlijke oorsprong, verschillende micro-architectuur, verschillende porositeiten). Om de toepassing van afschuifspanning en rek effectief los te ontkoppelen, zijn de belangrijkste concepten die de bioreactor gebruikt (1) scheiding van de controle van schuifspanning en rek met behulp van verschillende pompsystemen en (2) stimulatie van de steigers op een ‘inside-out’ manier met rekengestuurde afmetingen. Debiet wordt aangebracht op het buitenoppervlak van de buissteiger door het gebruik van een stromingspomp, terwijl de omtrek van de steiger wordt veroorzaakt door het uitzetten van een siliconenbuis waarop de steiger is gemonteerd door het gebruik van een aparte stampomp. De afmetingen van de siliconenbuis en de glazen buis die de constructie bevat, worden zorgvuldig gekozen en gevalideerd met behulp van computationele vloeistofdynamicasimulaties, om ervoor te zorgen dat de schuifspanning op de steiger (als gevolg van stroming) en de omtrekspanning (als gevolg van buisuitbreiding) elkaar niet significant beïnvloeden. Dit inside-out ontwerp heeft verschillende praktische redenen. Als stretch wordt toegepast door de lichtgevende vloeistofdruk (vergelijkbaar met fysiologische belasting), vereist dit inherent dat het monsterontwerp lekvrij is. Bovendien zou de druk die nodig is om het monster uit te rekken volledig worden bepaald door de stijfheid van het monster, die in de loop van de tijd tussen de monsters en binnen een monster kan variëren, waardoor het moeilijk is om de rek te controleren. Deze bioreactor monteert het weefsel ontworpen transplantaat rond een siliconenbuis en maakt het mogelijk om muurschaarspanning (WSS) aan te brengen op de buitenwand van de graft en zet de ent van binnenuit onder druk. Op deze manier kunnen gelijke belastingsomstandigheden tussen monsters en binnen monsters in de loop van de tijd worden gegarandeerd, en bovendien mogen de monsters lekken, zoals gebruikelijk is voor poreuze vasculaire steigers19. Deze inside-out bioreactor is specifiek bedoeld voor systematisch onderzoek naar de effecten van afschuiven en/of rekken, in plaats van de engineering van een native-achtig bloedvat in vitro, waarvoor traditionele vasculaire bioreactoropstellingen geschikter zijn. Zie figuur 1A–B voor de ontwerptekeningen van de bioreactor en de bijbehorende tabel 1 voor een functionele beschrijving en motivering achter de belangrijkste componenten van de bioreactor.
Het gebruik van de bioreactor wordt aangetoond op basis van een reeks recente studies van onze groep waarin we de individuele en gecombineerde invloeden van schuifspanning en cyclische rek op ontsteking en weefselvorming in resorbeerbare elektrospunsteigers voor in situ cardiovasculair weefsel19,43,44onderzochten . Daartoe gebruikten we menselijke macrofagen en myofibroblasten in mono- of in co-cultuur om de verschillende fasen van de regeneratieve cascade in situ te simuleren. We hebben aangetoond dat cytokinesecretie door menselijke macrofagen duidelijk wordt beïnvloed door zowel cyclische rek- als schuifspanning, die de matrixdepositie en organisatie door menselijke myofibroblasten in deze steigers beïnvloedt, zowel via paracrinesignalering als direct contact19,43,44. Met name deze studies toonden aan dat in het geval van gecombineerde toepassing van afschuifspanning en rek, de effecten op weefselvorming en ontsteking worden gedomineerd door een van de twee belastingen, of dat er synergetische effecten van beide belastingen zijn. Deze bevindingen illustreren de relevantie van het ontkoppelen van beide belastingen om een beter inzicht te krijgen in de bijdrage van de mechanische omgeving aan TE-processen. Dit begrip kan worden toegepast om steigerontwerpparameters systematisch te optimaliseren in relevante hemodynamische belastingsregimes. Bovendien kunnen de mechanistische gegevens uit dergelijke goed gecontroleerde omgevingen dienen als input voor numerieke modellen die worden ontwikkeld om het verloop van in situ weefselremodellering te voorspellen, zoals onlangs gerapporteerd voor TEVGs65 of TEHVs66, om de voorspellende capaciteit verder te verbeteren.
Protocol
Representative Results
Discussion
De hierin beschreven bioreactor maakt een systematische evaluatie mogelijk van de bijdragen van de individuele en gecombineerde effecten van schuifspanning en cyclische rek op ontsteking en weefselregeneratie in buisvormige resorbeerbare steigers. Deze aanpak maakt het ook mogelijk om een grote verscheidenheid aan analyses uit te voeren op vasculaire constructies, zoals geïllustreerd in de sectie representatieve resultaten. Deze resultaten tonen de onderscheidende impact van de verschillende hemodynamische belastingsreg…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Deze studie wordt financieel ondersteund door ZonMw in het kader van het LSH 2Treat programma (436001003) en de Nierstichting (14a2d507). N.A.K. erkent de steun van de Europese Onderzoeksraad (851960). Wij erkennen met dank het Gravitatieprogramma “Materials Driven Regeneration”, gefinancierd door de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (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 |
References
- 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).
