Tissue Engineering: Konstruktion av en flercellig 3D Scaffold för Leverans av Layered Cell Sheets
Summary
For creation of highly organized structures of complex tissue, one must assemble multiple material and cell types into an integrated composite. This combinatorial design incorporates organ-specific layered cell sheets with two distinct biologically-derived materials containing a strong fibrous matrix base, and endothelial cells for enhancing new vessels formation.
Abstract
Många vävnader, till exempel vuxna människors hjärtan, inte på ett adekvat sätt regenerera efter skada. 2,3 Strategier i vävnadsteknik föreslå innovationer för att hjälpa kroppen återhämtning och reparation. Till exempel kan TE metoder kan dämpa hjärt ombyggnad efter hjärtinfarkt (MI) och möjligen öka den totala hjärtfunktion till en nära normal pre-MI-nivå. 4 Som med alla funktionella vävnad, framgångsrik förnyelse av hjärtvävnad innebär korrekt leverans av flera celltyper med miljö signaler som gynnar integrationen och överlevnad implanterade celler / vävnad transplantat. Engineered vävnader bör åtgärda flera parametrar inklusive: lösliga signaler, cell-till-cell interaktioner och matrismaterial, uttryckt som leveransfordon, deras effekter på cellöverlevnad, materialhållfasthet och underlättande av cell-till-vävnadsorganisation. Studier som utnyttjar direktinsprutning av moderceller bara ignorera dessa grundsatser. 2,5,6En vävnads design som kombinerar dessa ingredienser har ännu inte utvecklats. Här presenterar vi ett exempel på integrerade konstruktioner med hjälp av skiktning av mönstrade cellark med två distinkta typer av biologiska härledda material innehållande målorganet celltyp och endotelceller för att öka nya fartyg bildning i "vävnad". Även om dessa studier fokuserar på generering av hjärtliknande vävnad, kan denna vävnad utformning tillämpas på många andra än hjärta med minimala ändra design och material organ, och är tänkt att vara en off-the-shelf produkt för regenerativa terapier. Protokollet innehåller fem detaljerade steg. En temperaturkänslig Poly (N -isopropylacrylamide) (pNIPAAM) används för att belägga vävnadsodlingsskålar. Sedan, vävnadsspecifika celler odlas på ytan av de belagda plattorna / micropattern ytor för att bilda cellark med starka sido sammanväxningar. För det tredje är en bas matris skapas för vävnaden genom att kombinera porös matris med neovaskulärt Permissive hydrogeler och endotelceller. Slutligen är de cellskikt lyfts från de pNIPAAM belagda rätter och överföras till baselementet, vilket gör den kompletta konstruktionen.
Introduction
Injection of cells and/or single materials alone has shown variable success in other organ systems and limited success in cardiac regeneration.5,7-12 Currently, stem cell-derived cells are delivered to damaged tissue using a variety of delivery methods including: direct cell injection into tissue and perfusion into the blood supply.13-17 Others have implanted cells alone, materials alone and/or in combination with material carriers to help regenerate damaged organs.18-21 This design combines multiple strategies that provide material strength, patterning in multiple materials and multiple cell types.
Specifically, the base acellularized fibrous matrix provides the foundational physical strength to the construct, making it suitable for suturing in into the patient, if necessary. The void spaces in the base matrix are filled with endothelial cells in a neovascular permissive hydrogel22 for rapidly establishing vascularization of the implanted construct. This composite is then integrated with pre-patterned cell sheets that allow enhanced cell-to-cell communication, more closely mimic the native tissue.1,23-25 The overall production process for the layered cellular patch is outlined by the flowchart in Figure 1.
Protocol
Representative Results
Discussion
De kritiska stegen i protokollet är: beläggning plåtytorna med termoresponsiv polymer och manipulera cellblad efter kylning plattorna. Eftersom olika celler uppvisar olika fysikaliska egenskaper, som adhesivitet, lyft tid bör optimeras för varje annan celltyp. Den andra, och mest påtagligt utmanande del av detta protokoll, kretsar kring manipulation av cellskiktet, en kritisk aspekt av metoder för vävnads montering. Singeln cellskiktet i cellarket är ganska bräcklig och kan riva lätt om manipulerade med pince…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was funded by a New Faculty Award II from the California Institute of Regenerative Medicine (CIRM; RN2-00921-1), NIH-funded National Research Award (F32-HL104924), and CIRM Training Grant (TG21163). Materials were provided by: Glycosan Biosystems Inc / BioTime and Dr. Stephen Badylak (University of Pittsburgh)
Materials
| Table of Reagents: | |||
| Reagent | Company | Catalogue number | Comments |
| Calcein-AM | Invitrogen | C3099 | Cell tracker / live dye |
| Lysotracker Red | Invitrogen | L7528 | Cell tracker |
| Neutral Red | Sigma | N7005 | Visible Cell dye |
| pNIPAAM | Sigma Aldrich | 412780250 | Poly(N-isopropylacrylamide) |
| Toluene | Sigma Aldrich | 244511-1L | |
| Hexane | Sigma Aldrich | 296090-1L | |
| RAOSMC | Lonza | R-ASM-580 | Rat Aortic Smooth Muscle Cells |
| SmGM2 | Lonza | CC-4149 | Smooth Muscle Media |
| HUVEC | Invitrogen | C-003-5C | Human Venous Endothelial Cells |
| HyStem | Glycosan/Biotime | ———— | |
| Isopropyl alcohol | VWR International | BDH1133-4LP | |
| Trypsin | Corning Cellgro | 25-053-C1 | |
| PBS | Gibco | 14287-072 | |
| FBS | Gibco | 16140-071 | |
| Table of Specific Equipment: | |||
| Equipment | Company | Catalogue number | Comments (optional) |
| Filter paper | Ahlstrom | 6310-0900 | |
| Buchner Funnel | Sigma Aldrich | Z247308 | |
| UpCell Plates | Nunc | 2014-11 | |
| UV light. | Jelight Company | UVO Cleaner Model No.42 |
References
- Ohashi, K., Okano, T. Functional tissue engineering of the liver and islets. Anat Rec (Hoboken). 297, 73-82 (2014).
- Chen, Q. Z., Harding, S. E., Ali, N. N., Lyon, A. R., Boccaccini, A. R. Biomaterials in cardiac tissue engineering: Ten years of research survey. Mat Sci Eng R. 59, 1-37 (2008).
- Jakob, P., Landmesser, U. Current status of cell-based therapy for heart failure. Curr Heart Fail Rep. 10, 165-176 (2013).
- Tongers, J., Losordo, D. W., Landmesser, U. Stem and progenitor cell-based therapy in ischaemic heart disease: promise, uncertainties, and challenges. Eur Heart J. 32, 1197-1206 (2011).
- Etzion, S., et al. Influence of embryonic cardiomyocyte transplantation on the progression of heart failure in a rat model of extensive myocardial infarction. J Mol Cell Cardiol. 33, 1321-1330 (2001).
- Masuda, S., Shimizu, T., Yamato, M., Okano, T. Cell sheet engineering for heart tissue repair. Adv Drug Deliv Rev. 60, 277-285 (2008).
- Koh, G. Y., Soonpaa, M. H., Klug, M. G., Field, L. J. Strategies for myocardial repair. J Interv Cardiol. 8, 387-393 (1995).
- Li, R. K., et al. Construction of a bioengineered cardiac graft. J Thorac Cardiovasc Surg. 119, 368-375 (2000).
- Muller-Ehmsen, J., et al. Rebuilding a damaged heart: long-term survival of transplanted neonatal rat cardiomyocytes after myocardial infarction and effect on cardiac function. Circulation. , 105-1720 (2002).
- Reinecke, H., Zhang, M., Bartosek, T., Murry, C. E. Survival, integration, and differentiation of cardiomyocyte grafts: a study in normal and injured rat hearts. Circulation. , 100-193 (1999).
- Roell, W., et al. Cellular cardiomyoplasty improves survival after myocardial injury. Circulation. 105, 2435-2441 (2002).
- Soonpaa, M. H., et al. Potential approaches for myocardial regeneration. Ann N Y Acad Sci. 752, 446-454 (1995).
- Akins, R. E. Can tissue engineering mend broken hearts. Circ Res. 90, 120-122 (2002).
- Goodell, M. A., et al. Stem cell plasticity in muscle and bone marrow. Ann N Y Acad Sci. 938, 208-218 (2001).
- Menasche, P., et al. Myoblast transplantation for heart failure. Lancet. 357, 279-280 (2001).
- Murry, C. E., Wiseman, R. W., Schwartz, S. M., Hauschka, S. D. Skeletal myoblast transplantation for repair of myocardial necrosis. J Clin Invest. 98, 2512-2523 (1172).
- Orlic, D., et al. Transplanted adult bone marrow cells repair myocardial infarcts in mice. Ann N Y Acad Sci. 938, 221-229 (2001).
- Elia, R., et al. Silk-hyaluronan-based composite hydrogels: a novel, securable vehicle for drug delivery. J Biomater Appl. 27, 749-762 (2013).
- Kai, D., et al. Stem cell-loaded nanofibrous patch promotes the regeneration of infarcted myocardium with functional improvement in rat model. Acta Biomater. , (2014).
- Hong, H. J., et al. Tracheal reconstruction using chondrocytes seeded on a poly(l-lactic-co-glycolic acid)-fibrin/hyaluronan. J Biomed Mater Res A. , (2014).
- Serpooshan, V., et al. The effect of bioengineered acellular collagen patch on cardiac remodeling and ventricular function post myocardial infarction. Biomaterials. 34, 9048-9055 (2013).
- Turner, W. S., et al. Cardiac tissue development for delivery of embryonic stem cell-derived endothelial and cardiac cells in natural matrices. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 100, 2060-2072 (2012).
- Sato, M., Yamato, M., Hamahashi, K., Okano, T., Mochida, J. Articular cartilage regeneration using cell sheet technology. Anat Rec (Hoboken). 297, 36-43 (2014).
- Sawa, Y., Miyagawa, S. Present and future perspectives on cell sheet-based myocardial regeneration therapy. Biomed Res Int. 2013, 583912 (2013).
- Demirbag, B., Huri, P. Y., Kose, G. T., Buyuksungur, A., Hasirci, V. Advanced cell therapies with and without scaffolds. Biotechnol J. 6, 1437-1453 (2011).
- Song, J. J., Ott, H. C. Organ engineering based on decellularized matrix scaffolds. Trends Mol Med. 17, 424-432 (2011).
- Badylak, S. F., et al. The use of extracellular matrix as an inductive scaffold for the partial replacement of functional myocardium. Cell Transplant. 15, S29-S40 (2006).
- Wang, Y., et al. Lineage restriction of human hepatic stem cells to mature fates is made efficient by tissue-specific biomatrix scaffolds. Hepatology. 53, 293-305 (2011).
- Gilbert, T. W., et al. Collagen fiber alignment and biaxial mechanical behavior of porcine urinary bladder derived extracellular matrix. Biomaterials. 29, 4775-4782 (2008).
- Luna, J. I., et al. Multiscale biomimetic topography for the alignment of neonatal and embryonic stem cell-derived heart cells. Tissue Eng Part C Methods. 17, 579-588 (2011).
