Трехмерная коллагеновая матрица каркаса имплантация как стратегия регенерации печени
Summary
Заболевания печени вызваны многими причинами, которые способствуют фиброзу или циррозу. Трансплантация является единственным вариантом восстановления здоровья. Однако, учитывая нехватку трансплантируемых органов, необходимо изучить альтернативы. Наше исследование предлагает имплантацию коллагеновых каркасов в ткань печени с животной модели.
Abstract
Заболевания печени являются основной причиной смерти во всем мире. Чрезмерное потребление алкоголя, диета с высоким содержанием жиров и вирусная инфекция гепатита С способствуют фиброзу, циррозу и / или гепатоцеллюлярной карциноме. Трансплантация печени является клинически рекомендуемой процедурой для улучшения и продления продолжительности жизни пациентов на поздних стадиях заболевания. Тем не менее, только 10% трансплантаций являются успешными, с наличием органов, предоперационными и послеоперационными процедурами, а высокие затраты напрямую коррелируют с этим результатом. Каркасы внеклеточного матрикса (ECM) появились в качестве альтернативы для восстановления тканей. Биосовместимость и прием трансплантата являются основными полезными характеристиками этих биоматериалов. Хотя способность восстанавливать размер и правильную функцию печени была оценена в моделях гепатэктомии печени, использование каркасов или какой-либо поддержки для замены объема истребленной массы печени не оценивалось.
Частичную гепатэктомию проводили в печени крысы с ксеноимплантацией каркаса коллагеновой матрицы (CMS) из мыщелка крупного рогатого готья. Ткань левой доли печени была удалена (примерно 40%), и равная доля CMS была имплантирована хирургическим путем. Тесты функции печени оценивались до и после хирургической процедуры. Через 3, 14 и 21 дни животных усыплены, проведены макроскопические и гистологические оценки. На 3 и 14 днях наблюдалась жировая ткань, окружающая CMS, без клинических признаков отторжения или инфекции, как и неоформация сосудов и реабсорбция CMS на 21-й день. Были гистологические доказательства незначительного воспалительного процесса и миграции соседних клеток в CMS, наблюдаемого с гематоксилином и эозином (H&E) и трихромным окрашиванием Массона. Было показано, что CMS хорошо работает в ткани печени и может быть полезной альтернативой для изучения регенерации и восстановления тканей при хронических заболеваниях печени.
Introduction
Печень является одним из наиболее важных органов, участвующих в поддержании гомеостаза и выработке белка1. К сожалению, заболевания печени являются основной причиной смерти во всем мире. На поздних стадиях поражения печени, которые включают цирроз и гепатоцеллюлярную карциному, трансплантация печени является клинически рекомендуемой процедурой. Однако из-за дефицита доноров и низкого уровня успешных трансплантаций были разработаны новые методы в тканевой инженерии (ТЭ) и регенеративной медицине (РМ)2,3.
ТЭ предполагает использование стволовых клеток, каркасов и факторов роста4 для содействия восстановлению воспаленных, фиброзных и отечные органы и ткани1,5,6. Биоматериалы, используемые в каркасах, имитируют нативный ECM, обеспечивая физические, химические и биологические сигналы для управляемого клеточного ремоделирования7. Коллаген является одним из наиболее распространенных белков, получаемых из дермы, сухожилия, кишечника и перикарда8,9. Кроме того, коллаген может быть получен в виде биополимера для получения двух- и трехмерных каркасов посредством биопечати или электроспиннинга10,11. Эта группа первой сообщила об использовании коллагена из костного источника для регенерации ткани печени. В другом исследовании сообщается об использовании каркасов, синтезированных из бычьего коллагена, который был получен из кожи, с однородными и близко расположенными порами, без какой-либо связи между ними12.
Децеллюляризация сохраняет нативную ECM, позволяя впоследствии включать клетки с потенциалом стволовых клеток13,14. Тем не менее, эта процедура все еще находится в экспериментальной фазе в печени, сердце, почках, тонкой кишке и мочевом пузыре от мышей, крыс, кроликов, свиней, овец, крупного рогатого скота и лошадей3,14. В настоящее время резецированный объем массы печени не заменяется ни в одной из моделей гепатэктомии животных. Тем не менее, использование дополнительной поддержки или сети (биоматериалов), которая обеспечивает пролиферацию клеток и ангиогенез, может иметь важное значение для быстрого восстановления паренхиматозных функций печени. Таким образом, каркасы могут быть использованы в качестве альтернативных подходов к регенерации или восстановлению тканей при хронических заболеваниях печени, в свою очередь, устраняя ограничения из-за донорства и клинических осложнений трансплантации печени.
Protocol
Representative Results
Discussion
Трансплантация органов является основой лечения у пациентов с фиброзом печени или циррозом печени. Несколько пациентов получают пользу от этой процедуры, что делает необходимым предоставление терапевтических альтернатив для пациентов, ожидающих. Тканевая инженерия является перспек…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы хотели бы поблагодарить персонал Лаборатории животных Отделения экспериментальной медицины, медсестру Каролину Баньос Г. за техническую и хирургическую поддержку, Марко Э. Гудиньо З. за поддержку в микрофотографии и Эрика Апо за поддержку в гистологии печени. Национальный совет поддержал это исследование в области науки и техники(CONACyT),номер гранта SALUD-2016-272579 и PAPIIT-UNAM TA200515.
Materials
| Anionic detergent | Alconox | Z273228 | |
| Biopsy cassettes | Leica | 3802453 | |
| Camera DMX | Nikon | DXM1200F | |
| Centrifuge | Eppendorf | 5424 | |
| Chlorhexidine gluconate 4% | BD | 372412 | |
| Cover glasses 25 mm x 40 mm | Corning | 2980-224 | |
| Eosin | Sigma-Aldrich | 200-M | CAS 17372-87-1 |
| Ethyl alcohol, pure | Sigma-Aldrich | 459836 | CAS 64-17-5 |
| Flunixine meglumide | MSD | Q-0273-035 | |
| Glass slides 75 mm x 25 mm | Corning | 101081022 | |
| Hematoxylin | Merck | H9627 | CAS 571-28-2 |
| Hydrochloric acid 37% | Merck | 339253 | CAS 7647-01-0 |
| Ketamine | Pisa agropecuaria | Q-7833-028 | |
| Light microscopy | Nikon | Microphoto-FXA | |
| Microtainer yellow cape | Beckton Dickinson | 365967 | |
| Microtome | Leica | RM2125 | |
| Model animal: Wistar rats | Universidad Nacional Autónoma de México | ||
| Nylon 3-0 (Dermalon) | Covidien | 1750-41 | |
| Polypropylene 7-0 | Atramat | SE867/2-60 | |
| Povidone-iodine10% cutaneous solution | Diafra SA de CV | 1.37E+86 | |
| Scaning electronic microscopy | Zeiss | DSM-950 | |
| Sodium hydroxide, pellets | J. T. Baker | 3722-01 | CAS 1310-73-2 |
| Software ACT-1 | Nikon | Ver 2.70 | |
| Stereoscopy macroscopy | Leica | EZ4Stereo 8X-35X | |
| Sterrad 100S | Johnson and Johnson | 99970 | |
| Surgipath paraplast | Leica | 39601006 | |
| Synringe of 1 mL with needle (27G x 13 mm) | SensiMedical | LAN-078-077 | |
| Tissue Processor (Histokinette) | Leica | TP1020 | |
| Tissue-Tek TEC 5 (Tissue embedder) | Sakura Finetek USA | 5229 | |
| Trichrome stain kit | Sigma-Aldrich | HT15 | |
| Unicell DxC600 Analyzer | Beckman Coulter | BC 200-10 | |
| Xylazine | Pisa agropecuaria | Q-7833-099 | |
| Xylene | Sigma-Aldrich | 534056 | CAS 1330-20-7 |
References
- Li, N., Hua, J. Immune cells in liver regeneration. Oncotarget. 8 (2), 3628-3639 (2017).
- Langer, R., Vacanti, J. Tissue Engineering. Science. 260 (5110), 920-926 (1993).
- Lee, H., et al. Development of liver decellularized extracellular matrix bioink for three-dimensional cell printing-based liver tissue engineering. Biomacromolecules. 18 (4), 1229-1237 (2017).
- Shafiee, A., Atla, A. Tissue engineering: Toward a new era of medicine. Annual Review of Medicine. 68, 29-40 (2017).
- Hu, C., Zhao, L., Wu, Z., Li, L. Transplantation of mesenchymal stem cells and their derivatives effectively promotes liver regeneration to attenuate acetaminophen-induced liver injury. Stem Cell Research & Therapy. 11 (1), 88 (2020).
- Sancho-Bru, P. Therapeutic possibilities of stem cells in the treatment of liver diseases. Gastroenterologia y Hepatologia. 34 (10), 701-710 (2011).
- Kobolak, J., Dinnyes, A., Memic, A., Khademhosseini, A., Mobasheri, A. Mesenchymal stem cells: Identification, phenotypic characterization, biological properties and potential for regenerative medicine through biomaterial micro-engineering of their niche. Methods. 99, 62-68 (2016).
- Freedman, B. R., Mooney, D. J. Biomaterials to mimic and heal connective tissues. Advanced Materials. 31 (19), 1806695 (2019).
- Meyer, M. Processing of collagen based biomaterials and the resulting materials properties. Biomedical Engineering Online. 18 (1), 24 (2019).
- El Baz, H., et al. Transplant of hepatocytes, undifferentiated mesenchymal stem cells, and in vitro hepatocyte-differentiated mesenchymal stem cells in a chronic lver failure experimental model: a comparative study. Experimental and Clinical Transplantation. 16 (1), 81-89 (2018).
- Nedjari, S., Awaja, F., Guarino, R., Gugutkov, D., Altankov, G. Establishing multiple osteogenic differentiation pathways of mesenchymal stem cells through different scaffold configurations. Journal of Tissue Engineering and Regenerative Medicine. 14 (10), 1428-1437 (2020).
- Chan, E. C., et al. Three dimensional collagen scaffold promotes intrinsic vascularisation for tissue engineering applications. PLoS One. 11 (2), 0149799 (2016).
- Arenas-Herrera, J. E., Ko, I. K., Atala, A., Yoo, J. J. Decellularization for whole organ bioengineering. Biomedical Materials. 8 (1), 014106 (2013).
- Parmaksiz, M., Dogan, A., Odabas, S., Elçin, A. E., Elçin, Y. M. Clinical applications of decellularized extracellular matrices for tissue engineering and regenerative medicine. Biomedical Materials. 11 (2), 022003 (2016).
- Gacek, G. Stereo microscope, neglected tool. Postepy Biochemii. 63 (1), 68-73 (2017).
- Oldham, S., Rivera, C., Boland, M. L., Trevaskis, J. L. Incorporation of a survivable liver biopsy procedure in mice to assess non-alcoholic steatohepatitis (NASH) resolution. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (146), e59130 (2019).
- The University of Texas at Austin Institutional Animal Care and Use Committee. . Guidelines for the Use of Chemical Depilatory Agents on Laboratory Animals. , (2021).
- Sivridis, L., Kotini, A., Anninos, P. The process of learning in neural net models with Poisson and Gauss connectivities. Neural Networks. 21 (1), 28-35 (2008).
- León-Mancilla, B. H., Araiza-Téllez, M. A., Flores-Flores, J. O., Piña-Barba, M. C. Physico-chemical characterization of collagen scaffolds for tissue engineering. Journal of Applied Research and Technology. 14 (1), 77-85 (2016).
- León, A., et al. Hematological and biochemical parameters in Sprague Dawley laboratory rats breed in CENPALAB, Cenp:SPRD. Revista Electronica de Veterinaria. 12, 1-10 (2011).
- Tsuchiya, A., et al. Mesenchymal stem cell therapies for liver cirrhosis: MSCs as “conducting cells” for improvement of liver fibrosis and regeneration. Inflammation and Regeneration. 39, 18 (2019).
- Badylak, S. F. The extracellular matrix as a biologic scaffold material. Biomaterials. 28, 3587-3593 (2007).
- Acevedo, G. C. Xenoimplante de colágena en uretra de perro. Universidad Nacional Autónoma de México. , (2011).
- Montalvo-Jave, E. E., et al. Absorbable bioprosthesis for the treatment of bile duct injury in an experimental model. International Journal of Surgery. 20, 163-169 (2015).
