Arteriovenous (AV) Loop במודל בעלי חיים קטנים לחקר אנגיוגנזה והנדסת רקמות כלי דם

Annika Weigand; Justus P. Beier; Andreas Arkudas; Majida Al-Abboodi; Elias Polykandriotis; Raymund E. Horch; Anja M. Boos

doi:10.3791/54676

הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.

מאמר שיטה

Arteriovenous (AV) Loop במודל בעלי חיים קטנים לחקר אנגיוגנזה והנדסת רקמות כלי דם

12.2K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/54676

⸱

2 בנובמבר 2016

Annika Weigand¹ , Justus P. Beier¹ , Andreas Arkudas¹ , Majida Al-Abboodi¹^,² , Elias Polykandriotis³ , Raymund E. Horch¹ , Anja M. Boos¹

¹Department of Plastic and Hand Surgery and Laboratory for Tissue Engineering and Regenerative Medicine, University Hospital of Erlangen, Friedrich-Alexander University of Erlangen-Nürnberg (FAU), ²Genetic Engineering and Biotechnology Institute for Postgraduate Studies, Baghdad University, ³Department of Plastic, Hand and Microsurgery, Sana Klinikum Hof GmbH

במאמר זה

סיכום

אנו מתארים גישה מיקרו עבור הדור של בלופ arteriovenous (AV) כמודל לניתוח כלי דם in vivo בסביבה מבודדת היטב מאופיין. מודל זה הוא לא רק שימושי עבור חקירת אנגיוגנזה, אלא גם מתאים באופן אופטימלי עבור הנדסה vascularized axially ורקמות להשתלה.

תקציר

רשת כלי דם פונקציונלית היא תנאי מוקדם להישרדות וצמיחה של כמעט כל הרקמות והאיברים בגוף האדם. יתר על כן, במצבים פתולוגיים כמו סרטן, כלי דם ממלאים תפקיד מוביל בהתקדמות המחלה. כתוצאה מכך, יש צורך חזק במודל in vivo סטנדרטי ומאופיין היטב על מנת להבהיר את מנגנוני הניאו-וסקולריזציה ולפתח גישות שונות של כלי דם להנדסת רקמות ורפואה רגנרטיבית.

אנו מתארים גישה מיקרוכירורגית למודל של בעלי חיים קטנים לאינדוקציה של ציר כלי דם המורכב מווריד ועורק העוברים אנסטומוזה ללולאה עורקית (AV). לולאת ה-AV מועברת לתא השתלה סגור ליצירת מיקרו-סביבה מבודדת in vivo, המחוברת לאורגניזם החי רק באמצעות ציר כלי הדם. באמצעות הדמיה תלת מימדית (MRI, מיקרו-CT) ואימונוהיסטולוגיה, ניתן לדמיין את כלי הדם הגדלים לאורך זמן. על ידי השתלת תאים, גורמי גדילה ומטריצות שונות, ניתן לנתח את תפקודם ביצירת רשת כלי הדם ללא השפעות מפריעות מהסביבה בסביבה הניתנת לשליטה היטב.

בנוסף למחקרי אנגיוגנזה ואנטי-אנגיוגנזה, מודל לולאת ה-AV מתאים באופן מושלם גם להנדסת רקמות כלי דם. לאחר זמן קדם-וסקולריזציה מסוים, ניתן להשתיל את הרקמות שנוצרו לאתר הפגם ולחבר אותן מיקרו-כירורגית לכלי הדם המקומיים, ובכך להבטיח אספקת דם מיידית ואינטגרציה של הרקמה המהונדסת. על ידי שינוי המטריצות, התאים, גורמי הגדילה וארכיטקטורת החדר, ניתן ליצור רקמות שונות, אשר לאחר מכן ניתן להתאים לצרכיו האישיים של המטופל.

מבוא

רוב הרקמות ואיברים בגוף האדם תלויות רשת כלי דם תפקודית המספקת חומרים מזינים, מחליף גזים ומסיר חומרי פסולת. תקלה במערכת הזו נגרמת על ידי בעיות בכלי דם מקומיות או מערכתיות יכולה להוביל למספר רב של מחלות קשות. יתר על כן, באזורי מחקר כגון הנדסת רקמות או רפואת רגנרטיבית, רשת כלי דם תפקודית בתוך רקמות שנוצרו באופן מלאכותי או איברים מושתלים היא הכרחית עבור יישומים קליניים מוצלחים.

במשך עשרות שנים חוקרים כבר חוקרת את המנגנונים המדויקים המעורבים כלי הדם גדל כדי להבין טוב יותר למצבים פתולוגיים כדי למצוא התערבויות טיפוליות חדשניות ולספק מניעה טובה יותר של הפרעות בכלי הדם. בשלב הראשון, תהליכים בסיסיים כגון תאי תאי אינטראקציות או את ההשפעה של מולקולות על תאים של מערכת כלי הדם בדרך כלל נחקרים על ידי במבחנת 2D או 3Dניסויים. מודלי 2D מסורתיים הם קלים לביצוע, מבוססים היטב ותרמו רב להבנה טובה יותר של תהליכים אלה. בפעם הראשונה בשנת 1980, פולקמן ואח '. דווח זריעת אנגיוגנזה חוץ גופייה של תאי אנדותל נימים על צלחות ג'לטין מצופה ^1. זה מיד פינתה פרסום של מספר רב של ניסויים אנגיוגנזה 2D נוסף על assay היווצרות צינור תא האנדותל ^2, הגירה assay ³ ואת שיתוף culturing של סוגי תאים שונים ^4, כמו גם אחרים. מבחנים אלו משמשים עד היום וקבלו כסטנדרט בשיטות במבחנה.

עם זאת, התקנה ניסיונית זו אינה עולה תמיד מתאימה לחקר התנהגות תא in vivo מאז סוגי התאים ביותר דורשים סביבת 3D כדי ליצור מבני רקמות פיסיולוגיים רלוונטיים ^5. זה יכול להיות הראה כי הארכיטקטורה של מטריקס 3D יש משקל מכריע morphogenesi נימיםים ⁶ וכי מטריקס הסלולר נוסף תא (ECM) אינטראקציות ותרבות 3D תנאים להסדיר גורמים חשובים מעורבי אנגיוגנזה גידול ^7. מטריצת 3D מספקת תשומות מכאניות מורכבות, יכול לקשור חלבונים מפעילים ולהקים הדרגתיים ריכוז מומס בקנה מידת רקמות. יתר על כן, זה נחשב הכרחי על מנת לחקות המוךפו"גנטי שהולך vivo וצעדי שיפוץ ברקמות מורכבות ^5. במערכות אלה, הוא אנגיוגנזה vasculogenesis ניתן ללמוד. בעוד אנגיוגנזה מתאר נביטת נימים מן קודמות כלי הדם ^8, vasculogenesis מתייחס היווצרות דה נובו של כלי הדם באמצעות תאי אנדותל או אבות שלהם ^9,10. ההבשלה של כלי מתואר תהליך הנקרא 'arteriogenesis' באמצעות גיוס של תאי שריר חלק ^11. Angiogenic טיפוסי במודל חוץ גופית היא הנבטה של תאי האנדותל מן בשכבה הקיימתהים זורע כמו בשכבה על גבי משטחים ג'ל, על פני שטח של microspheres מוטבע בתוך ג'ל או ע"י בניית spheroids תא האנדותל ^12. במודלי vasculogenic יחידים בתאי האנדותל הם לכודים ג'ל 3D. הם אינטראקציה עם תאי אנדותל סמוכים כדי ליצור מבנים וסקולרית ורשתות דה נובו, בדרך כלל בשילוב עם תאים תומכים ^12.

עם זאת, אפילו 3D מורכבים במודלים חוץ גופית לא יכול לחקות במסגרות vivo נתון לחלוטין ריבוי תאים תאים ותא-ECM קשרי הגומלין ^13. חומרים בעלי פעילות גבוהה במבחנה לא מראים באופן אוטומטי את אותם אפקטים in vivo ולהיפך ^14. לקבלת ניתוח מקיף של כלי הדם מעבד יש צורך דחוף לפתח במודלים vivo כי טוב לדמות את המצב בגוף. מגוון גדול של מבחני אנגיוגנזה vivo ב מתוארים בספרות, כוללassay קרום חומוס chorioallantoic (רמ"א), מודל דג הזברה, assay אנגיוגנזה הקרני, מודל השק הגבה אוויר, תא skinfold הגבה, ¹⁴ דגמי הגידול תת עורית. עם זאת, מבחנים אלה קשורים בדרך כלל עם מגבלות, כגון שינויי מורפולוגיים מהירים, בעיות נימים חדשות המבדילות מקבוצות קיימות כבר ב assay CAM, או מספר המקומות המוגבלים assay אנגיוגנזה הקרני ^15. יתר על כן, מערכות שאינן יונקים משמשות (למשל., מודל דג הזברה ^16), מה שמוביל לבעיות ב השתלה שלא מבן-מיניתי ^17. במודל הגידול תת עורית, אנגיוגנזה שמקורם רק מן הגידול עצמו לא ניתן לנתח מאז הרקמות הסמוכות תורמות רבות לתהליך כלי הדם. יתר על כן, את הרקמה שמסביב יכול להיות תפקיד מכריע בעיצוב במיקרו-סביבה של הגידול ^18.

לא רק ללימוד אנגיוגנזה או vasculogenesis האם יש ne חזקed עבור ב סטנדרטית היטב מאופיין מודל vivo אלא גם ללימוד אסטרטגיות כלי דם שונים בהנדסת רקמות ורפואה רגנרטיבית. היום, הדור של איברים מורכבים מלאכותיים או רקמות אפשרי הוא במבחנת in vivo. 3D bioprinting מספק טכניקת ייצור על פי דרישה להפקת רקמות מחייה שימושית 3D מורכב ^19. יתר על כן, מתקני הגידול יכול לשמש להפקת רקמות ²⁰ או אפילו הגוף עצמו יכול לשמש bioreactor ^21. עם זאת, המכשול העיקרי ליישום מוצלח של רקמות שנוצרו באופן מלאכותי הוא חוסר כלי דם בתוך המבנים המהונדסים. חיבור מיידי של כלי דם המארח לאחר ההשתלה הוא תנאי הכרחי להישרדות, במיוחד במקרה של רקמות מלאכותיות בקנה מידה גדולה או איברים.

שונה במבחנה או באסטרטגיות prevascularization vivo היה develOpEd להקים microvasculature תפקודית בונה לפני ההשתלה ^22. השתלת פיגום עם נימים מהונדסים מתבצעות חוץ גופית על עור הגב של עכברים הביאה השקה מהירה של כלי הדם בעכברים תוך יום ^23. לעומת זאת, אליפטית שיתוף תרבות המורכבת של אדם בתאי גזע mesenchymal ותאי אנדותל וריד אדם הטבור התאספו לתוך רשת prevascular תלת ממד פיתוח נוסף לאחר השתלת in vivo. עם זאת, השקה עם כלי דם המארח הוגבלה ^24. מעל לכל, פגמים vascularized גרוע, כגון אזורים נמקי או מוקרן, כלי דם חיצוניים כביכול זה - ingrowth כלי מהאזור לתוך הפיגום - לעתים קרובות נכשל. כלי דם פנימיים, לעומת זאת, מבוסס על ציר כלי דם כמקור נימים החדשים הנבטה לתוך הפיגום ^25. שימוש בגישת כלי הדם הציריניתן להשתיל, הרקמה המהונדסת עם ציר כלי הדם שלו ומחוברת כלי מקומי באתר הנמען. מיד לאחר ההשתלה, הרקמה נתמך כראוי על ידי חמצן וחומרים מזינים, אשר יוצר את התנאים המתאימים לשילוב אופטימלי.

בשל זמינות מוגבלת של מודלים לחקירת in vivo אנגיוגנזה ומתוך הכרת החשיבות הגוברת של יצירת רקמת vascularized axially, פיתחנו את הגישה microsurgical של ארול ו Spira נוספת כדי ליצור לולאה arteriovenous (AV) במודל חיה ^26. השימוש בתא השתלה סגור לחלוטין עושה שיטה זו מתאימה מאוד גם ללמוד כלי דם היווצרות תחת "נשלט", גם מאופיין בתנאי vivo (איור 1). מודל זה הוא לא שימושי רק עבור החקירה של אנגיוגנזה אלא גם מתאים באופן אופטימלי עבור כלי הדם הציריים של פיגומי engin רקמותלמטרות eering.