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Forscher stellen ein nicht poröses, biologisch abbaubares Gefäßtransplantat her

In einer kürzlich veröffentlichten Studie in Fortgeschrittene Werkstoffeentwickelte ein Forscherteam ein neuartiges biologisch abbaubares Gefäßtransplantat mit kleinem Durchmesser, das die Bildung von elastinhaltigen Strukturen in der Intima-Media unterstützt, was für die normale Funktion der Arterie wichtig ist.

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

Hintergrund

Arterielle Schäden, die durch Erkrankungen wie schwere Atherosklerose verursacht werden, können zu Myokardinfarkt und Tod führen. Während autologe Gefäßtransplantate aus Radialarterien, inneren Brustarterien oder Stammvenen ideal sind, greifen Patienten mit Vorerkrankungen häufig auf synthetische Transplantate zurück.

Im Handel erhältliche synthetische Transplantate, die aus Materialien wie Polytetrafluorethylen hergestellt sind, werfen Probleme auf, wie beispielsweise Obstruktion über lange Zeiträume aufgrund von Blutgerinnseln und Restenose. Die Arterienregeneration wird auch aufgrund der biologisch nicht abbaubaren Natur dieser Transplantate gehemmt.

Biologisch abbaubare Gefäßtransplantate haben den Vorteil einer erhöhten Durchgängigkeit und Erleichterung der Proliferation glatter Muskelzellen (SMC), der Endothelbildung und der Ablagerung von Proteinen der extrazellulären Matrix (ECM), wie Kollagen und Elastin. Die langfristige Leistung dieser Transplantate wird jedoch durch die unsachgemäße räumliche Regeneration und Organisation von Elastinfasern gefährdet, was zu einer falschen Anordnung von Endothelzellen und SMCs führt.

Über das Studium

In der vorliegenden Studie verwendeten die Forscher eine Kombination aus Tropoelastin (TE), einem natürlich produzierten ECM-Protein, das von elastogenen Zellen zur Produktion von Elastin verwendet wird, und Polyglycerinsebacat (PGS), einem biologisch abbaubaren, hochelastischen Material, um ein biologisch abbaubares, nicht poröses Gefäßtransplantat.

Das TE-PGS-Gerüst wurde durch Elektrospinnen aufgebaut, um die natürliche Arterienfaserstruktur nachzuahmen, und für 16 Stunden bei 160 °C wärmestabilisiert. Multiphotonenmikroskopie wurde verwendet, um das hitzestabilisierte Gerüst zu untersuchen und die TE- und PGS-Mikrostrukturen zu untersuchen. Die chemische Konformation des Gerüsts vor und nach der Hitzestabilisierung wurde unter Verwendung von Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie-gedämpfter Totalreflexion (FTIR-ATR) verglichen.

Es wurden Zugversuche durchgeführt, um mechanische Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Elastizitätsmodul, Bruchdehnung und die Spannungs-Dehnungs-Kurve zu bestimmen. Mechanische Stabilität und Viskoelastizität wurden bewertet, indem das Gerüst 500 Minuten lang einem Kriechtest bei einer Belastung von 0,1 MPa unterzogen wurde. Darüber hinaus wurden die strukturelle Integrität und Stabilität der Gerüstabmessungen getestet, indem das Gerüst in phosphatgepufferte Kochsalzlösung bei 37 °C getaucht wurde. Die Langzeitstabilität wurde basierend auf Massenänderungsbeobachtungen über 154 Tage nach dem Eintauchen bestimmt.

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Die Gerüste wurden mit humanen dermalen Fibroblasten kultiviert, um die In-vitro-Zytokompatibilität zu bestimmen, während die In-vivo-Kompatibilität gemessen wurde, indem das Gerüst subkutan in Mäuse implantiert und histologische Untersuchungen nach zwei und vier Wochen durchgeführt wurden.

Humane glatte Muskelzellen der Koronararterie (HCASMCs) und humane Nabelvenen-Endothelzellen (HUVECs) wurden auf dem Gerüst kultiviert. Die funktionellen Marker und die Proliferation wurden untersucht, um festzustellen, ob diese Gerüste erfolgreich als Gefäßtransplantate funktionieren würden.

Die TE-PGS-Gerüste wurden verwendet, um Gefäßtransplantate mit Durchmessern von 0,7, 1 und 1,5 mm und unterschiedlichen Wanddicken herzustellen, und der Berstdruck, Knickwinkel und die Nahthalteeigenschaften dieser Transplantate wurden getestet. Die Thrombogenität der Transplantate wurde getestet, bevor sie acht Monate lang in die infrarenale abdominale Aorta von Mäusen implantiert wurden.

Der Transplantatabbau wurde unter Verwendung von Immunfluoreszenzfärbung für Makrophagen überwacht. Die Verteilung von Elastin, Kollagen, SMCs und Endothelzellen wurde ebenfalls untersucht, und die regenerierten elastischen Lamellen in der Intima-Media wurden mit denen einer nativen Maus verglichen.

Ergebnisse

Die Ergebnisse zeigten, dass das TE50-Gerüst (50:50-Verhältnis von TE:PGS) mechanisch stabil und biokompatibel zur Verwendung als Gefäßtransplantate war und nicht sehr anfällig für Thrombose war. Es unterstützte die Proliferation von HUVEC und HCASMC und die Expression funktioneller Proteinmarker.

Darüber hinaus stimulierte die nicht poröse Natur des TE50-Gerüsts die Bildung von strukturell geeigneten Elastin- und Kollagenfasern in der Intima-Media bzw. Adventitia. Die Implantationsexperimente bei Mäusen zeigten, dass das Gerüst nach acht Monaten vollständig abgebaut war, sich eine Neoarterie gebildet hatte und reifes Kollagen in der Adventitia nachgewiesen wurde.

Die elastischen Lamellen wurden innerhalb von acht Wochen von spindelförmigen, in Umfangsrichtung ausgerichteten alpha-glatten Muskel-Aktin+ und Smoothelin+ SMCs umgeben, verglichen mit den acht Monaten, die bei einheimischen Mäusen für die Bildung ähnlicher elastischer Lamellen benötigt wurden.

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Schlussfolgerungen

Zusammenfassend beschrieb die Studie die Verwendung eines TE-PGS-Gerüsts zur Konstruktion von Gefäßtransplantaten, die nicht porös und biologisch abbaubar waren und die Proliferation von SMCs unterstützen sowie die Bildung von Elastin- und Kollagenfasern erleichtern konnten.

Insgesamt zeigten die Ergebnisse, dass die TE-PGS-Gerüste die Bildung organisierter Elastinlamellen erleichterten, was für eine ordnungsgemäße arterielle Regeneration unerlässlich ist. Implantationstests berichteten über die Biokompatibilität und lieferten Hinweise auf die Bildung von Neoarterien bei Mäusen innerhalb von acht Monaten. Darüber hinaus machen die biologisch abbaubare Natur, Thermostabilität, Zugfestigkeit und Durchgängigkeit des Materials es zu einem idealen Kandidaten für synthetische Gefäßtransplantate.

Referenz:

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