Forskere lager en ikke-porøs, biologisk nedbrytbar vaskulær graft

Forskere lager en ikke-porøs, biologisk nedbrytbar vaskulær graft

I en nylig publisert studie i Avansert materiale Et team av forskere utviklet et nytt biologisk nedbrytbart vaskulært transplantat med liten diameter som støtter dannelsen av elastinholdige strukturer i intima-media, som er viktig for arteriens normale funksjon.

Lernen: Schnelle Regeneration einer Neoarterie mit elastischen Lamellen. Bildquelle: Christoph Burgstedt/Shutterstock

bakgrunn

Arterielle skader forårsaket av sykdommer som alvorlig aterosklerose kan føre til hjerteinfarkt og død. Mens autologe vaskulære transplantasjoner fra radiale arterier, indre brystarterier eller saphenøse vener er ideelle, tyr pasienter med tidligere sykdommer ofte til syntetiske transplantasjoner.

Kommersielt tilgjengelige syntetiske transplantater laget av materialer som polytetrafluoretylen utgjør problemer som obstruksjon i lange perioder på grunn av blodpropp og restenose. Arterieregenerering er også hemmet på grunn av den ikke-biologisk nedbrytbare naturen til disse transplantatene.

Biologisk nedbrytbare vaskulære transplantater har fordelen av økt åpenhet og tilrettelegging for spredning av glatte muskelceller (SMC), endoteldannelse og avsetning av ekstracellulære matrise (ECM) proteiner som kollagen og elastin. Imidlertid er den langsiktige ytelsen til disse transplantatene kompromittert av feil romlig regenerering og organisering av elastinfibre, noe som fører til feil arrangement av endotelceller og SMC-er.

Om å studere

I denne studien brukte forskere en kombinasjon av tropoelastin (TE), et naturlig produsert ECM-protein som brukes av elastogene celler for å produsere elastin, og polyglyserolsebacat (PGS), et biologisk nedbrytbart, svært elastisk materiale, for å lage et biologisk nedbrytbart, ikke-porøst vaskulært graft.

TE-PGS stillaset ble konstruert ved elektrospinning for å etterligne den naturlige arteriefiberstrukturen og varmestabilisert ved 160 °C i 16 timer. Multifotonmikroskopi ble brukt til å undersøke det varmestabiliserte stillaset og undersøke TE- og PGS-mikrostrukturene. Den kjemiske konformasjonen til stillaset før og etter varmestabilisering ble sammenlignet ved bruk av Fourier-transformasjon infrarød spektroskopi-dempet totalreflektans (FTIR-ATR).

Strekktester ble utført for å bestemme mekaniske egenskaper som strekkfasthet, elastisitetsmodul, bruddforlengelse og spennings-tøyningskurven. Mekanisk stabilitet og viskoelastisitet ble evaluert ved å utsette stillaset for en krypetest ved en belastning på 0,1 MPa i 500 minutter. I tillegg ble den strukturelle integriteten og stabiliteten til stillasdimensjonene testet ved å senke stillaset i fosfatbufret saltvann ved 37 °C. Langtidsstabilitet ble bestemt basert på observasjoner av masseendring over 154 dager etter nedsenking.

Stillasene ble dyrket med humane dermale fibroblaster for å bestemme in vitro cytokompatibilitet, mens in vivo kompatibilitet ble målt ved subkutant implantering av stillaset i mus og utføre histologiske undersøkelser etter to og fire uker.

Humane glatte muskelceller i koronararterie (HCASMCs) og humane navlevene-endotelceller (HUVECs) ble dyrket på stillaset. De funksjonelle markørene og spredningen ble undersøkt for å avgjøre om disse stillasene ville fungere vellykket som vaskulære transplantater.

TE-PGS-stillasene ble brukt til å fremstille vaskulære transplantater med diametre på 0,7, 1 og 1,5 mm og forskjellige veggtykkelser, og sprengtrykket, knekkvinkelen og suturretensjonsegenskapene til disse transplantatene ble testet. Trombogenisiteten til transplantatene ble testet før de ble implantert i den infrarenale abdominale aorta hos mus i åtte måneder.

Nedbrytning av graft ble overvåket ved bruk av immunfluorescensfarging for makrofager. Fordelingen av elastin, kollagen, SMC-er og endotelceller ble også undersøkt, og de regenererte elastiske lamellene i intima-media ble sammenlignet med de til en innfødt mus.

Resultater

Resultatene viste at TE50-stillaset (50:50-forhold av TE:PGS) var mekanisk stabilt og biokompatibelt for bruk som vaskulære grafts og ikke var særlig utsatt for trombose. Det støttet spredningen av HUVEC og HCASMC og uttrykket av funksjonelle proteinmarkører.

Videre stimulerte den ikke-porøse naturen til TE50-stillaset dannelsen av strukturelt passende elastin- og kollagenfibre i henholdsvis intima-media og adventitia. Implantasjonsforsøkene på mus viste at etter åtte måneder var stillaset fullstendig nedbrutt, en neoarterie hadde dannet seg og modent kollagen ble påvist i adventitia.

De elastiske lamellene var omgitt av spindelformede, periferielt justerte alfa-glattmuskelaktin+ og smoothelin+ SMC-er innen åtte uker, sammenlignet med de åtte månedene som kreves for at lignende elastiske lameller skulle dannes hos innfødte mus.

Konklusjoner

Oppsummert beskrev studien bruken av et TE-PGS-stillas for å konstruere vaskulære transplantater som var ikke-porøse og biologisk nedbrytbare og kunne støtte spredningen av SMC-er og lette dannelsen av elastin- og kollagenfibre.

Samlet sett viste resultatene at TE-PGS-stillasene forenklet dannelsen av organiserte elastinlameller, som er avgjørende for riktig arteriell regenerering. Implantasjonstesting rapporterte biokompatibilitet og ga bevis for neoarteriedannelse hos mus innen åtte måneder. I tillegg gjør materialets biologisk nedbrytbare natur, termostabilitet, strekkstyrke og åpenhet det til en ideell kandidat for syntetiske vaskulære grafts.

Referanse:

• Wang, Z., Mithieux, SM, Vindin, H., Wang, Y., Zhang, M., Liu, L., Zbinden, J., Blum, KM, Yi, T., Matsuzaki, Y., Oveissi, F., Akdemir, R., Lockley, KM, Zhang, L., Ma, K., Guan, J., Waterhouse, A., Pham, NTH, Hawkett, BS, & Shinoka, T. (2022). Schnelle Regeneration einer Neoarterie mit elastischen Lamellen. Fortgeschrittene Materialien, 2205614. doi: https://doi.org/10.1002/adma.202205614 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202205614

.