El uso de tintas sacrificables para imprimir diversos tejidos tubulares ha sido bien establecido por varios grupos, notablemente el laboratorio de Lewis, que ha fabricado túbulos renales junto con vasos sanguíneos67,76. Enfoques similares se han utilizado para imprimir estructuras alveolares77 y tumores vascularizados78. Aquí, estos enfoques se adaptaron para generar geometrías vasculares destinadas a investigar las respuestas endoteliales bajo flujo fisiológico de fluidos (Figura 2). Las geometrías de los vasos se convirtieron a partir de una imagen vascular en un mapa de coordenadas y posteriormente en código G para definir la trayectoria de impresión (Figura 2A–C). El enfoque resultante permitió la fabricación de moldes de vasos para estudiar cómo las funciones endoteliales y la organización del citoesqueleto se alteran por vasos tortuosos y aneurismas (Figura 2D–G). También se incorporó un diseño de cámara Rose imprimible en 3D para eliminar la necesidad de acceder a servicios de maquinaria (Figura 2H). Se proporciona un ejemplo de archivo de código G para la impresión de vasos en Archivo Suplementario 1, y los archivos CAD correspondientes para la cámara Rose y el soporte para microscopio se proporcionan en Archivo Suplementario 2 y Archivo Suplementario 3, respectivamente. La impresión basada en STL puede requerir múltiples pasadas de la boquilla, lo que da lugar a geometrías de vasos trenzados con lúmenes separados (Figura Suplementaria 1). La plataforma resultante fue diseñada para ser accesible a biólogos celulares vasculares con experiencia mínima en bioingeniería, al tiempo que soporta presiones y tasas de flujo fisiológicas y permite el acceso a microscopía de alta resolución (Figura 2I).
Después de la fabricación del vaso y su celularización, el dispositivo vascular se incorporó a un sistema de perfusión en circuito cerrado para permitir la circulación controlada del medio (Figura 3). El sistema constaba de una bomba peristáltica, una llave de paso de tres vías conectada a una jeringa de cebado, un trampa de burbujas, un amortiguador de pulso, el dispositivo vascular y un depósito de medio dispuestos secuencialmente dentro del circuito de flujo (Figura 3A). Esta configuración permitió que el medio circulase continuamente a través del vaso ingenierizado, incorporando componentes para el cebado del sistema, la eliminación de burbujas y la amortiguación de las pulsaciones generadas por la bomba peristáltica. El sistema ensamblado podía operarse con el dispositivo vascular colocado dentro del montaje experimental, como se muestra en la Figura 3B, proporcionando una configuración práctica para la posterior perfusión de vasos celularizados bajo condiciones de flujo controladas.
Una modificación respecto a los enfoques previamente descritos con tintas sacrificables fue la pasteurización de la tinta antes de la impresión. Esta modificación fue necesaria porque la aplicación de los protocolos publicados para la preparación de la tinta resultaba en cultivos contaminados con moho. Al igual que otras tintas basadas en Pluronic utilizadas para esta aplicación, la tinta de Pluronic F127 al 25 % y PEO al 1 % permanece líquida a bajas temperaturas y transita a un gel micelar compacto al aumentar la temperatura. Esta formulación presenta una temperatura de transición de 15°C, lo cual es conveniente para la elaboración de estructuras a temperaturas de incubadora y para eliminar la tinta en 4°C. De forma similar al Plurónico puro, este material también muestra un adelgazamiento sustancial por cizallamiento a la temperatura de impresión (Figura 4A). Sin embargo, incluso a bajas temperaturas, la tinta es demasiado viscosa para la esterilización por filtración utilizando filtros estándar para cultivo de tejidos y vacío. Aunque la tinta puede esterilizarse mediante pasteurización a 70°C o superior durante 20 s, estas temperaturas alteran irreversiblemente la tinta y reducen su viscosidad a la temperatura de impresión (datos no mostrados). La pasteurización a temperaturas más bajas y mayor duración en 63°C para >1 h reduce la contaminación por hongos y otros microorganismos sin alterar la viscosidad compleja de la tinta a temperaturas adecuadas para la impresión. La caracterización reológica mediante un reómetro equipado con una geometría de cono y plato de 25 mm mostró que la tinta cruda y la tinta pasteurizada presentaron viscosidades similares en un rango de velocidades de deformación a las temperaturas de impresión (Figura 4B), demostrando que la pasteurización no compromete la capacidad de impresión. La tinta pasteurizada también permite el cultivo vascular a largo plazo sin necesidad de fármacos antimicóticos, que pueden alterar la función endotelial.
Una vez que el vaso se ha cellularizado, las células endoteliales confluentes deben recubrir todo el vaso, como se muestra en la Figura 5, con la proyección de intensidad máxima en la Figura 5A y la sección transversal en la Figura 5B. Luego, el flujo del medio puede aumentarse hasta alcanzar tasas de cizallamiento fisiológicas, que pueden estimarse para vasos aproximadamente circulares utilizando la ecuación de Hagen-Poiseuille79. En la práctica, la velocidad de flujo necesaria para alcanzar un estrés cortante deseado puede estimarse considerando la viscosidad del medio y la resistencia microfluídica. En un cultivo típico 2D in vitro, el flujo del medio a 12 dyn/cm2 induce a la mayoría de los tipos de células endoteliales a orientarse a lo largo del eje del flujo. Esta respuesta puede visualizarse mediante tinción fluorescente con faloídicina de la F-actina (Figura 5D,E) o mediante el análisis del eje Golgi-núcleo (Figura 5D,F), ambos muestran una orientación anisotrópica consistente con la polarización endotelial, como se ha descrito previamente18. Aunque en el organismo in vivo ocurren esfuerzos cortantes superiores a 40 dyn/cm2, tales condiciones no fueron modeladas aquí.
Una consecuencia importante de la geometría alterada de los vasos es el flujo de fluido modificado, al cual las células endoteliales responden a través de varias vías de señalización80,81. Existen varios métodos disponibles para monitorear la velocidad del flujo sanguíneo, incluyendo ultrasonido Doppler 4D82, resonancia magnética de flujo 4D83 e imagenología por mancha láser84. Aunque estas técnicas ofrecen ventajas importantes in vivo, puede ser difícil detectar diferencias locales de flujo a lo largo de un solo vaso. La alta capacidad de apertura numérica de este sistema permite el seguimiento directo de partículas fluorescentes (Figura 6B) y la obtención de mapas con alta resolución espacial de las anomalías de flujo inducidas por la curvatura del vaso mediante la técnica de velocimetría por imágenes de partículas (Figura 6C). Por ejemplo, se observa un flujo más lento a lo largo de la curvatura interna del vaso en comparación con la curvatura externa (Figura 6C), lo cual podría contribuir a respuestas endoteliales alteradas85.
Una vez establecido un vaso confluyente, la permeabilidad y la función de barrera se pueden evaluar perfundiendo macromoléculas marcadas con fluorescencia, como dextranos o proteínas, a través de la luz del vaso. Los vasos permeables revestidos con CUEVH resisten el paso de dextranos marcados con fluorescencia (Figura 6D,F). En contraste, la exposición a estímulos que alteran la barrera, como el TNFα, aumenta la fuga vascular (Figura 6H, J). Las tasas locales de fuga se pueden visualizar mediante análisis de cimógrafos (Figura 6E,G,I,K). Dado que el cimógrafo representa la distancia en el eje X y el tiempo en el eje Y, las tasas relativas de fuga se pueden comparar cuantificando las pendientes de las líneas ajustadas a las intensidades de fluorescencia segmentadas (Figura 6E,G,I,K). Estos análisis permiten evaluar cómo la geometría local del vaso influye en la función de barrera endotelial en respuesta a estímulos definidos.
Una ventaja clave de esta plataforma es el acceso microscópico mejorado en comparación con lo posible in vivo. El sistema también facilita el análisis inmunohistoquímico de la organización molecular endotelial, particularmente el citoesqueleto de actina. Las células endoteliales son muy delgadas y están rodeadas por células musculares lisas in vivo, lo que puede complicar la localización de estructuras citoesqueléticas específicamente dentro del endotelio. Esta plataforma permite la tinción e imagen directa de moléculas de adhesión y actina filamentosa en células endoteliales (Figura 5) y soporta análisis multicomponente difíciles de realizar in vivo, incluyendo la evaluación de la polarización y división endotelial bajo flujo fisiológico (Figura 5D–F). La combinación de estos ensayos en una sola plataforma permite el examen directo de las relaciones entre la geometría del vaso, el flujo alterado, la función de barrera, la organización molecular endotelial y la adhesión intercelular.

Figura 1: Flujo de trabajo para imprimir y utilizar vasos sanguíneos tridimensionales en un chip. Diagrama de flujo de los protocolos para generar y utilizar vasos sanguíneos tridimensionales en un chip. Los círculos negros indican los números de protocolo correspondientes. Los colores de los recuadros indican la temperatura a la que se realiza cada protocolo o se incuba la muestra. El flujo de trabajo incluye modelado de la forma del vaso, preparación de la tinta, preparación de la matriz extracelular (ECM), preparación de la cámara, impresión del vaso, lavado y recubrimiento del vaso, celularización, cultivo con flujo, ensayos funcionales y análisis histológico. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2: Impresión de vasos y diseño de la cámara. Los vasos pueden diseñarse a partir de imágenes vasculares in vivo para reproducir geometrías vasculares específicas del paciente. (A) Vaso coronario pequeño captado mediante tomografía computarizada (TC) con contraste, reproducido con autorización de Parekh et al.86 Barra de escala = 2 mm. (B) Mapa de coordenadas de puntos fiduciales de una porción del vaso mostrado en el panel A, generado mediante el registro de puntos en FIJI. (C) Salida de código G generada a partir del mapa de coordenadas utilizando software de control de impresora. Las coordenadas X, Y y Z se indican en la esquina inferior derecha. (D) Esquema de una cámara Rose que contiene un vaso bioprintado. El diseño con tuercas de mariposa superiores es compatible con la cámara de ácido poliláctico (PLA) impresa en 3D. (E) Cámara Rose que contiene un vaso y depósitos impresos con bio-tinta sacrificable sobre un cubreobjetos recubierto con matriz extracelular (ECM). Barra de escala = 9 mm. (F) Esquema de una cámara Rose configurada para el modelo de aneurisma. Un alambre insertado a través de las agujas de entrada y salida sirve como molde del vaso, y la bio-tinta sacrificable depositada sobre el alambre sirve como molde del aneurisma. (G) Cámara Rose que contiene el alambre y el molde de bio-tinta sacrificable sobre un cubreobjetos recubierto con ECM. (H) Adaptador impreso en 3D de PLA para platina de microscopio (izquierda) y cámara Rose (derecha), que ofrecen alternativas a los componentes mecanizados de aluminio. Las abrazaderas metálicas del adaptador se fijan a la placa del adaptador. Barra de escala = 30 mm. (I) Vaso impreso y lavado dentro de una cámara Rose de aluminio montada sobre la platina de un microscopio, con agujas y tubos de entrada y salida conectados. Barra de escala = 20 mm. Abreviaturas: CT = tomografía computarizada; ECM = matriz extracelular; PLA = ácido poliláctico. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3: Sistema de flujo de fluido para un vaso celularizado en una cámara de Rose. (A) Esquema de la configuración de los tubos utilizada para establecer el flujo de fluido a través de una cámara de Rose que contiene un vaso celularizado. Las flechas indican la dirección del flujo. Los componentes numerados son (1) bomba peristáltica, (2) llave de paso de tres vías con jeringa de cebado, (3) trampa de burbujas, (4) amortiguador de pulsos, (5) dispositivo del vaso y (6) depósito de medio. Todos los componentes que entran en contacto con el medio de cultivo se esterilizan antes de su uso. (B) Sistema de flujo de fluido que contiene un vaso celularizado en una cámara de Rose dentro de un incubador de cultivo de tejidos. Los números corresponden a los componentes mostrados en el panel A. Las agujas de entrada y salida se aseguran con cinta para mayor estabilidad. Barra de escala = 40 mm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4: Caracterización reológica de la bio-tinta sacrificial. (A) Viscosidad al corte de la tinta de Pluronic F127 al 25 % y óxido de polietileno (PEO) al 1 % sin pasteurizar en función de la velocidad de corte a 5 °C, 10 °C, 14,4 °C, 15 °C y 23 °C. (B) Viscosidad compleja en función de la frecuencia angular para la tinta de Pluronic F127/PEO sin pasteurizar y pasteurizada a 25 °C y 37 °C. Abreviatura: PEO = óxido de polietileno. Haga clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

Figura 5: Imagen y análisis cuantitativo de vasos endotelializados fijados y teñidos. (A) Proyección de intensidad máxima de imágenes de fluorescencia confocal de disco giratorio de un vaso completamente celularizado tras la siembra inicial y cultivo bajo bajo estrés cortante (1 dyn/cm2). El vaso fue teñido para VE-cadherina (verde), F-actina (rojo) y ADN con DAPI (azul). Barra de escala = 50 µm. (B) Sección transversal xz reconstruida de una serie de z de imágenes de fluorescencia confocal de disco giratorio de un vaso completamente celularizado teñido con faloídicina fluorescente para marcar la F-actina (rojo). Barra de escala = 50 µm. (C) Proyección de intensidad máxima de una serie de z de imágenes de fluorescencia confocal de disco giratorio de un vaso completamente celularizado tras 24 h de flujo a 12 dyn/cm2. La F-actina fue marcada con faloídicina fluorescente (rojo). Barra de escala = 100 µm. (D) Imagen de fluorescencia confocal de disco giratorio de una región vascular tras 24 h de cultivo bajo un estrés cortante de 16 dyn/cm2. El vaso fue teñido para VE-cadherina (amarillo), F-actina (magenta), el marcador del aparato de Golgi GM130 (verde) y ADN con DAPI (azul). La flecha indica la dirección del flujo. Barra de escala = 30 µm. (E) Cuantificación representativa de la orientación media de los fibras de estrés a partir del canal de F-actina en el panel D utilizando FibrilTool74. Se analizó una cuadrícula de 45 regiones, cada una con un área de 1.600 µm2, y las orientaciones medias de las fibras se muestran como un histograma radial respecto a la dirección del flujo. (F) Cuantificación representativa del eje núcleo-aparato de Golgi del panel D como medida de la polarización de las células endoteliales. Los vectores desde el centro de cada núcleo hasta el centro del aparato de Golgi correspondiente se representan como un histograma radial respecto a la dirección del flujo; n = 75 vectores. Abreviatura: DAPI = 4′,6-diamidino-2-fenilindol. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 6: Análisis del flujo de fluidos y la fuga vascular. (A) Esquema de la geometría del vaso utilizada para los análisis en los paneles B–K. Las letras indican las regiones aproximadas del vaso que corresponden a los respectivos paneles. (B) Proyección temporal codificada por colores de una secuencia de imágenes de fluorescencia confocal de disco giratorio con lapso de tiempo que muestra microesferas fluorescentes moviéndose por flujo en una región curvada del vaso. El color indica el número de cuadro de 1 a 100; se indican las curvaturas externa e interna. (C) Análisis de velocimetría por imágenes de partículas (PIV) que muestra la velocidad relativa del flujo a través de la región curvada del vaso. Los colores representan la velocidad relativa, y las flechas indican la dirección y magnitud del flujo. Barra de escala = 50 µm. (D–G) Ensayo representativo de barrera vascular de un vaso no tratado perfundido con dextrano marcado con Alexa 647 de 10 kDa. (D,D′,D″) Imágenes de una región recta del vaso adquiridas a los 0, 70 y 150 min, respectivamente. La línea blanca indica la región utilizada para el cimograma en el panel E. (E) Cimograma de la región recta en el panel D que muestra una tasa de fuga de 0,39 µm/min, que es la pendiente de la línea punteada. (F,F′,F″) Imágenes de la región curvada del vaso adquiridas a los 0, 70 y 150 min. La línea blanca indica la región utilizada para el cimograma en el panel G. Barra de escala = 150 µm. (G) Cimograma de la región curvada en el panel F que muestra una tasa de fuga de 1,01 µm/min, que es la pendiente de la línea punteada. (H–K) Ensayo representativo de barrera vascular tras preincubación con 250 ng/mL de factor de necrosis tumoral alfa (TNFα). (H,H′,H″) Imágenes de una región recta del vaso adquiridas a los 0, 200 y 400 min, respectivamente. La línea blanca indica la región utilizada para el cimograma en el panel I. Barra de escala = 250 µm. (I) Análisis del cimograma de la región recta del vaso en el panel H muestra una tasa de fuga de 2,1 µm/min, que es la pendiente de la línea punteada. (J,J′,J″) Imágenes de la región curvada del vaso adquiridas a los 0, 200 y 400 min. La línea blanca indica la región utilizada para el cimograma en el panel K. Barra de escala = 250 µm. (K) Análisis del cimograma de la región curvada del vaso en el panel J muestra una tasa de fuga de 6,7 µm/min, que es la pendiente de la línea punteada. Los asteriscos en los paneles D–K identifican los extremos correspondientes de las líneas utilizadas para generar los cimogramas. Abreviaturas: PIV = velocimetría por imágenes de partículas; TNFα = factor de necrosis tumoral alfa. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura suplementaria 1: Impresión de vasos mediante programación de impresora basada en STL. (A) Imagen de contraste por interferencia diferencial de un vaso impreso generado mediante programación de impresora basada en STL, que dirige la cabeza de impresión a realizar dos pasadas, produciendo una estructura de vaso trenzado. Barra de escala = 250 µm. (B) Representación tridimensional del vaso trenzado lavado y lleno con albúmina sérica bovina (BSA) marcada con Alexa 647. Es visible una separación entre las luces de los dos filamentos trenzados. Barra de escala = 100 µm. Abreviaturas: BSA = albúmina sérica bovina; STL = lenguaje de teselación estándar. Haga clic aquí para descargar este archivo.
Archivo suplementario 1: Código G para la impresión de vasos. Haga clic aquí para descargar este archivo.
Archivo suplementario 2: dibujo CAD de la cámara Rose. Haga clic aquí para descargar este archivo.
Archivo suplementario 3: dibujo CAD del adaptador para montaje en la platina. Haga clic aquí para descargar este archivo.