Forskare skapar ett icke-poröst, biologiskt nedbrytbart kärltransplantat

Forskare skapar ett icke-poröst, biologiskt nedbrytbart kärltransplantat

I en nyligen publicerad studie i Avancerat material Ett team av forskare utvecklade ett nytt biologiskt nedbrytbart vaskulärt transplantat med liten diameter som stöder bildningen av elastininnehållande strukturer i intima-media, vilket är viktigt för artärens normala funktion.

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

bakgrund

Artärskador orsakade av sjukdomar som svår åderförkalkning kan leda till hjärtinfarkt och dödsfall. Medan autologa vaskulära transplantationer från radiella artärer, inre bröstartärer eller saphenösa vener är idealiska, tar patienter med tidigare sjukdomar ofta till syntetiska transplantationer.

Kommersiellt tillgängliga syntetiska transplantat tillverkade av material såsom polytetrafluoreten utgör problem såsom obstruktion under långa perioder på grund av blodproppar och restenos. Artärregenerering hämmas också på grund av den icke biologiskt nedbrytbara naturen hos dessa transplantat.

Biologiskt nedbrytbara vaskulära transplantat har fördelen av ökad öppenhet och underlättande av proliferation av glatta muskelceller (SMC), endotelbildning och avsättning av extracellulära matrisproteiner (ECM) såsom kollagen och elastin. Men den långsiktiga prestandan för dessa transplantat äventyras av den felaktiga rumsliga regenereringen och organiseringen av elastinfibrer, vilket leder till felaktigt arrangemang av endotelceller och SMC.

Om att studera

I den aktuella studien använde forskarna en kombination av tropoelastin (TE), ett naturligt producerat ECM-protein som används av elastogena celler för att producera elastin, och polyglycerolsebacat (PGS), ett biologiskt nedbrytbart, mycket elastiskt material, för att skapa ett biologiskt nedbrytbart, icke-poröst vaskulärt transplantat.

TE-PGS-ställningen konstruerades genom elektrospinning för att efterlikna den naturliga artärfiberstrukturen och värmestabiliserades vid 160 °C i 16 timmar. Multifotonmikroskopi användes för att undersöka den värmestabiliserade ställningen och undersöka TE- och PGS-mikrostrukturerna. Den kemiska konformationen av ställningen före och efter värmestabilisering jämfördes med användning av Fourier-transform infraröd spektroskopi-attenuerad total reflektans (FTIR-ATR).

Dragprover utfördes för att bestämma mekaniska egenskaper såsom draghållfasthet, elasticitetsmodul, brottöjning och spännings-töjningskurvan. Mekanisk stabilitet och viskoelasticitet utvärderades genom att utsätta ställningen för ett kryptest vid en belastning av 0,1 MPa under 500 minuter. Dessutom testades den strukturella integriteten och stabiliteten hos ställningsdimensionerna genom att sänka ställningen i fosfatbuffrad saltlösning vid 37 °C. Långtidsstabilitet bestämdes baserat på massförändringsobservationer under 154 dagar efter nedsänkning.

Ställningarna odlades med humana dermala fibroblaster för att bestämma in vitro cytokompatibilitet, medan in vivo-kompatibilitet mättes genom att subkutant implantera ställningen i möss och utföra histologiska undersökningar efter två och fyra veckor.

Humana glatta muskelceller i kransartären (HCASMC) och humana navelvenendotelceller (HUVEC) odlades på ställningen. De funktionella markörerna och proliferationen undersöktes för att avgöra om dessa ställningar skulle fungera framgångsrikt som vaskulära transplantat.

TE-PGS-ställningarna användes för att tillverka vaskulära transplantat med diametrar på 0,7, 1 och 1,5 mm och olika väggtjocklekar, och sprängtrycket, knäckningsvinkeln och suturretentionsegenskaperna hos dessa transplantat testades. Trombogeniciteten hos transplantaten testades innan de implanterades i den infrarenala abdominala aorta hos möss under åtta månader.

Graftnedbrytning övervakades med användning av immunfluorescensfärgning för makrofager. Fördelningen av elastin, kollagen, SMCs och endotelceller undersöktes också, och de regenererade elastiska lamellerna i intima-media jämfördes med de hos en infödd mus.

Resultat

Resultaten visade att TE50-ställningen (50:50-förhållande av TE:PGS) var mekaniskt stabil och biokompatibel för användning som kärltransplantat och inte var särskilt känslig för trombos. Det stödde spridningen av HUVEC och HCASMC och uttrycket av funktionella proteinmarkörer.

Dessutom stimulerade den icke-porösa naturen hos TE50-ställningen bildningen av strukturellt lämpliga elastin- och kollagenfibrer i intima-media respektive adventitia. Implantationsexperimenten på möss visade att efter åtta månader var ställningen helt nedbruten, en neoartär hade bildats och moget kollagen upptäcktes i adventitia.

De elastiska lamellerna var omgivna av spindelformade, periferiellt inriktade alfa-slätmuskelaktin+ och smoothelin+ SMC inom åtta veckor, jämfört med de åtta månader som krävdes för att liknande elastiska lameller skulle bildas i inhemska möss.

Slutsatser

Sammanfattningsvis beskrev studien användningen av en TE-PGS-ställning för att konstruera vaskulära transplantat som var icke-porösa och biologiskt nedbrytbara och kunde stödja spridningen av SMC och underlätta bildandet av elastin- och kollagenfibrer.

Sammantaget visade resultaten att TE-PGS-ställningarna underlättade bildandet av organiserade elastinlameller, vilket är avgörande för korrekt arteriell regenerering. Implantationstestning rapporterade biokompatibilitet och gav bevis på neoartärbildning hos möss inom åtta månader. Dessutom gör materialets biologiskt nedbrytbara natur, termostabilitet, draghållfasthet och öppenhet det till en idealisk kandidat för syntetiska kärltransplantat.

Hänvisning:

• 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

.