Hydrogel לבנות והפיברין מבוסס גישת דבק כדי לספק Therapeutics באוטם שריר הלב דגם Murine.

Introduction

אוטם שריר לב (MI) מוגדר כהפרעה של דם לאזור של הלב נגרמים על ידי החסימה של עורקים הכליליים עיקריים. הנזק כתוצאה מאוטם בשל שיפוץ של רקמת לב קיימא לרקמת צלקת שאינה פונקציונלית, אשר מקטין את יכולתו של הלב או, לייתר דיוק, החדר השמאלי, להכות כראוי. זה גורם לירידה בנפח דם שיכול להיות מועבר לגוף עם כל פעימת לב, הידועה בשם נפח הפעימה, ואחוז הדם שנשאב מתוך הלב עם כל פעימת לב, המכונה מקטע הפליטה של ^6. אלה, יחד עם פונקציות אחרות פחתו, מגבירים את הלחץ על שאר הלב כדי לשמור על תפקוד נאות. לעתים קרובות, מתח מוגבר זה יכול להיות כל כך חמור שהיא גורמת התקף לב שני, תופעה ראתה בכ -10% מאנשים ^7.

בעוד נהלים רפואיים התפתחו לטיפולמייד לאחר MI, אין טכניקה פותחה לעצור, איטי, או להפוך את תופעות לוואי השליליות של שיפוץ רקמות. תאי גזע טיפולים בתאים צמחו כדרך אפשרית לטיפול כזה, עם זאת, למרות הפוטנציאל המבטיח שלהם, נובע לא הוכיחו מוצלחים במסגרת הקלינית. תאוריה אחת על החסרונות שלהם היא חוסר היכולת להבטיח את התאים מועילים להישאר באתר של אוטם מספיק זמן כדי לייצר תוצאות חיוביות ^5. הוכח כי לא יותר מ 24% מתאים שפשוט הוזרקו לאתר של אוטם שרדו ונשארו ביום שלאחר מסירת אתר 1 הפגום ^2. סיכוי אפשרי להתמודדות עם בעיה זו של שימור תא הוא לפתח מערכות הידרוג'ל ביולוגית שלתמצת או תאים או תרופות, אשר יכול להיות מועברות לאתר שניזוק. הידרוג'ל של בחירה בפרוטוקול זה הוא פולי (אתילן גליקול) dimethacrylate עקב השימוש הקודם שלה ביחסי ציבור אנקפסולציה התאocedures, עם זאת, ניתן להשתמש בכל הידרוג'ל מסוגל אנקפסולציה ^8. המשלוח של התיקון ישירות לאתר של פציעה מבטיח מגע תא אל רקמה על פני תקופה ארוכה של זמן, להגדיל את משך זמן התאים יכולים לספק גורמים מועילים לשריר הלב הבסיסי.

צוואר בקבוק לגישת התיקון הוא הקושי של דבקות התיקון אל פני השטח את הלב. קבוצות רבות להתגבר על זה באמצעות מגוון רחב של טכניקות, הנפוצות ביותר להיות תפר פשוט לקשור את המבנה אל פני השטח את לב ^9,10. זה הוכיח את יעילותו במספר מקרים בהם המבנה עשוי מחומר נוקשה, אך נכשל כאשר ניסה במערכת הידרוג'ל, בשל ריכוז מים הגבוה והאופי עדין של מבנה התיקון. כדי להתגבר על זה, יש לנו מנוצל מערכת דבק חיצוני דבק הפיברין המחקה את הכימיה של היווצרות קריש דם. דבק הפיברין נעשה שימוש בניתוחים רפואיים רבים, Including דמעות דורה, fistulas הסימפונות, והשתלה קרנית, המדגיש את ההתאמה הביולוגית של המוצר כחומר איטום פצע ^11-13. בנוסף, ליפין נעשה שימוש עבור מגוון רחב של מטרות לב, כוללים טיפול כירורגים של קרעי חדר שמאלי וניתוחים מעקפים של עורקים הכליליים, לעומת זאת, השימוש בו כדבק הדבקה לתיקון לב אינו משמש ^14-17 נפוץ. ניסוח פשוט של תוצאות תרומבין ופיברינוגן בדבק ביולוגית שיכול להיות ממוקם ישירות על החלק החיצוני של תיקון לב חיצוני, מתן מערכת הידבקות קיימא כדי להבטיח תיקון לאינטראקציה לב.

Protocol

הליך הוא בתאימות מלאה עם מספר פרוטוקול IACUC 13302 ואושר על ידי חלוקת משאבים בבעלי חיים.

1. כלי הכנה

1. החיטוי כל המכשירים שאינם חד פעמי המשמשים לפני ההליך כירורגי כדי להבטיח סטריליות.
2. לעקר מכשירים המשמשים פעמים רבות בפגישה עם מעקר חרוז זכוכית בין שימושים.

2. Hydrogel הכנה

1. להפשיר ותאי גזע צלחת לפחות 24 שעות לפני יצירת מבנה הידרוג'ל.
2. הכן טלאי יום אחד לפני ההליך כירורגי באמצעות מנגנון stereolithography (או המכשיר דומה) אשר תואר בפירוט מלא בפרסומים קודמים ^8,18.
3. כדי ליצור הידרוג'ל, ליצור ראשון עיצוב מודל בעזרת מחשב (CAD) של התיקון הרצוי ולייצא את העיצוב לפורמט stereolithographic (STL).
4. ליצור פתרון מראש ג'ל על ידי dissolvindimethacrylate פולי גרם (אתילן גליקול) (PEGDMA) בסטרילי 1X PBS להשיג 20% w / v פתרון. במקביל, לפזר את photoinitiator 1 [4 (ethoxy 2-הידרוקסי) -phenyl] -2-הידרוקסי-2-מתיל-1-פרופאן-1-אחד בDMSO. הוסף את photoinitiator לפתרון PEGDMA בגמר w / v של 0.5%. ישירות לפני crosslinking, להוסיף את הצפיפות הרצויה של תאים 100 מיליליטר. הערה: צפיפות תאים בין 2.0 x 10 ⁵ -2.0 x 10 ⁶ תאים / מיליליטר מומלץ.
5. פיפטה הפתרון מראש ג'ל לתוך צלחת במרכז פלטפורמת צד"ל ולהפעיל את תוכנת SLA עם עיצוב STL המעוצב שנטען בעבר.
6. הסר את התיקונים ממנגנון דגירה הידרוג O / N במדיום השתנה Dulbecco של הנשר (DMEM) בתוספת סרום 5% שור עוברי (FBS), 100 U / פניצילין מיליליטר, 100 מ"ג / מיליליטר סטרפטומיצין, כדי לאפשר לתאים להסתגל לסביבה במסגרת התיקון.

3. הכנת בעלי החיים וintubati שבעל פהב

1. להעריך כל עכבר לפני ההליך כדי להבטיח שבעלי החיים הוא במצב בריאותי טוב, כפי שיקבעו מהרגלי הטיפוח ויחסי הגומלין שלהם עם חבריהם לכלוב שלהם. הערה: C57BL / 6J ישן 8-10 שבוע נקבה שמשו להליך זה, עם זאת, ניתן להשתמש בכל גיל בעכבר או סוג.
2. הנח חיות לחדר הרדמה ולחשוף לisofluorane 5% עם תמיכת O ₂ L 1 / דקה. לפקח על הרמה של הרדמה על ידי רפלקס קמצוץ הבוהן.
3. ברגע שבעלי החיים הוא בהרדמה כראוי, לשקול ומניח אותם על דוכן אינטובציה.
4. לכוון מקור אור לכיוון חלל החזה של בעלי החיים ולהשתמש במלקחיים לחזור בי משטח הגרון ולחשוף את מיתרי קול. להדריך בזהירות 20 angiocath G בין מיתרי קול, וצורה חלקה להכניס לתוך קנה הנשימה. זיהוי הכנסה נאותה על ידי תנועה מכאנית של חלל החזה פעם קטטר מחובר למכונת ההנשמה החיה הקטנה.
5. התאם את הגדרות אוורור המשקל אלקטרוני של בעלי החיים המבוססים על ההנחיות של היצרן.
6. ברגע שמחובר לצינור, הנח את החיה במצב שכיבה על כרית חימום כדי למנוע היפותרמיה. ודא שכרית החימום אינה עולה על 40 מעלות צלזיוס. אם יש צורך, להציב חיץ בין בעלי החיים וכרית החימום כדי למזער את הסיכוי לכוויות.
7. להסיר שיער מהאתר כירורגית באמצעות קרם מקריח. לעקר את האתר על ידי 3 סקראבס לסירוגין של בטאדין ו -75% אתנול כדי להבטיח עיקור נכון. הנח וילון לחשוף רק את האתר כירורגית, ולמקם את המשחה וטרינר בעיניים כדי למנוע יובש במהלך ההליך.

4. נוהל כירורגי

1. פתיחת בית החזה מתבצעת בצד השמאל של בעלי החיים, ולכן, לעשות חתך בעור כ 1 סנטימטר מהשמאל לעצם החזה, שמנהל את אורכו של עצם החזה.
2. שימוש במלקחיים כדי להפריד את שכבת השריר מבית החזה הבסיסי בשני שלבים. שים לב Delineקו ating שמייצג את השרירים הגדולים pectoralis של בעלי החיים. הרם שריר זה מעט, להפריד אותו מהשרירים האלכסוניים החיצוניים הבסיסיים ולחזור מדיאלית. לאחר מכן, לשחרר את השרירים אלכסוניים החיצוניים מבית החזה הבסיסי באותו אופן, ולחזור רוחבי, מתן נוף לא מוסתר של הצלעות השניה, שלישיים, והרביעי.
3. בצע את פתיחת בית החזה בין הצלעות השלישית והרביעית. רם בעדינות את הצלע הרביעית ולהשתמש cauterizer כדי לפתוח את חלל החזה בין הצלעות השלישית והרביעית. הנח מפשקים לפתוח עוד יותר את החלל ולחשוף את הלב.
4. שימוש במלקחיים כדי לקרוע את קרום הלב הדק של הלב.
5. ולקשור את העורק הכלל השמאלי עם תפר ניילון 8-0 monofilament. מניחים את התפר כ 4 מ"מ מהשיא של הלב, ממש מתחת לקצה התחתון של אטריום השמאל. לקבוע מיקום תפר נכון על ידי לבנה של שריר הלב של החדר ועלייה בגודל של אטריום השמאל לאחר sutuמחדש כבר קשור.

5. תיקון מיקום ודבק

1. שמור טלאים על 37 מעלות צלזיוס, 5% CO ₂ תנאים עד לשימוש.
2. רם בעדינות את הכתם בעזרת מרית שטוחה הסתיימה ובעדינות מניח אותו על פני השטח של הלב, באתר של אוטם.
   הערה: כדי למנוע החלקה מהחדר השמאלי, התיקון יכול להיות מוחזק במקום על ידי אורח קל לשמור על קשר או באמצעות המרית או הקצה של זוג המלקחיים.
3. הכן את הדבק על ידי ערבוב 4: 1 של פיברינוגן לתרומבין. מערבבים את הפתרון על ידי pipetting חזר עד שהוא מתחיל להתעבות, בדרך כלל בתוך דקות 1 לאחר תחילת ההכנה.
4. ברגע שצמיגות הפתרון מגיעה לרמה הרצויה, להעביר במהירות של כ -10 מיליליטר למשטח התיקון. הערה: זמן הקרישה של דבק הפיברין הוא מהיר, מתן חלון קטן של הזדמנות להעברה יעילה של הדבק.

6. תפירה

1. סגור את שכבת הצלעות עם 03:57 תפרי קטע בודדים.
2. לפני סגירה מלאה של שכבת הצלע, להכניס צינורית PE-10 לתוך החתך לפנות את חלל החזה לאחר הסגירה היא שלמה ולהקים מחדש לחץ intrapleural נכון.
3. סגור את שרירי חזה עם 03:57 תפרי קטע בודדים.
4. חותם את שכבת העור עם תפר רציף.
5. בעקבות סגירה מלאה, לצרף מזרק 1.0 מיליליטר לסוף הצינורית ולהשתמש בו כדי לפנות את חלל החזה.
6. החל דבק רקמות לאתר החתך לחזק את אתר התפר.

טיפול 7. לאחר ניתוח

1. תן עכברי הזרקה של עצירות (.05-1.0 מ"ג / קילוגרם) וcarprofen (2.2 מ"ג / קילוגרם) תת עורי לאחר קשירה כלילית ו -20 דקות לפחות לפני התחייה באופן מיידי. לנהל שתי התרופות 6-8 שעות לאחר ניתוח, ולאחר מכן לתת פעמיים ביום לתקופה של עד שלושה ימים לשליטה בכאב ומצוקה.
2. ברציפות לפקח על בעלי החיים עד שעה מודעת וכל לניתוח 4 שעות הראשונות שלאחר. לבצע בדיקה שנייה הלילה של הניתוח (2-4 שעות מאוחר יותר) לניהול מנה שנייה של משכך כאבים.
3. צג החיות יומי אחרי היום השני הבא ההליך, עד בעלי החיים מופיעים יציבים.

8. ניתוח של תפקוד לב והיסטולוגיה

1. בצע echocardiographs על 4 שבועות העכברים בעקבות ההליך כדי לקבוע את מידת הנזק הבא MI.
2. הרדימי עכברים עם isoflurane 4-5% בתוך תא הרדמה לאינדוקציה של הרדמה משאיפת, ולאחר מכן 2% isoflurane באמצעות מסיכת פנים להרדמת תחזוקה.
3. נקה את אזור ההדמיה עם קרם מקריח ולהשתמש אולטרסאונד חיה קטן כדי להשיג סריקת אקו 2D M-מצב של הלב הפועם ולהקליט את Asso הפרמטרים התפקודיciated עם זה.
4. להרדים את העכברים בתא פחמן דו חמצני, ולאחר מכן לאסוף את הלבבות מבעלי החיים והמקום בפתרון פורמלין 10% למשך 24 שעות. לאחר 24 שעות, להעביר את לבם עד 70% אתנול ולשמור על 4 מעלות צלזיוס עד עיבוד רקמות.
5. לעבד את הלב ולשבץ אותם בלוקים פרפין.
6. חותך 5 מ"מ סעיפים דרך אזור חדרית של הלב, מתחיל בשיא ומסתיים באטריום.
7. כתם מחולק פרוסות עם שני Trichrome של האסון וhematoxylin וכתם eosin תוך שימוש בפרוטוקולים סטנדרטיים.

Representative Results

במהלך ההליך הכירורגי, קשירה של העורק הכלל השמאלי ניתן לזהות על ידי מסומן לחלוט במורד הזרם של העורק החסום. כמבחן לפני קשירת הקשר, התפר ניתן להדק בקצרה כדי לבדוק אם הוא נמצא במקום המתאים. בנוסף, מאז חסימה של עורק התוצאות בירידה כמעט מיידית ביכולת של אטריום השמאל להכות כראוי, אטריום השמאל יגדיל בתגובה לזרימה חוזרת של דם במערכת.

מדידות אקו M-מצב נלקחו מוקדם ככל 2 ימים לאחר אוטם-להראות הפסקת קיר תנועת שמאל, מעידה על שיקום השרירים. חישובים איכותיים עשויים מהנתונים מראים ירידה במקטע פליטה ונפח פעימה בלב בהתקף הלב. בתום הניסוי, כאשר הלבבות נאספים למטרות היסטולוגית, התרחבות ברורה של החדר השמאלי ניתן לראות, יחד עם דילול של החדר השמאליקיר, והתצהיר של קולגן שמציין בתצהיר רקמת צלקת במקום של תפקוד שריר לב (איור 1).

ראה גם על ניתוח היסטולוגית הוא נוכחותם של הידרוג'ל לבנות הודות לממשל של הג'ל הפיברין (איור 2). למטרות שלנו, מערכת הדבק חייבת להיות צמיגה מספיק כדי לאפשר שליטת מיקום מדויקת ולמזער נגר עוקבים לאיברים סמוכים, אך גמישה מספיק כדי לא להפריע לתפקוד לב. בדיקות ראשוניות בוצעו כדי לחשב את הצמיגות, זמן gelation, וקשיחות של יחסי פיברינוגן / תרומבין שונים, על מנת לקבוע את השילוב הנכון שיתאים לצרכימים שלנו. הניתוח בvivo בוצע על מנת לבחון את יכולתו של דבק הפיברין לשמור patch- לרקמות הידבקות תוך מתן לתפקוד לב מלא (מידע לא מוצג). יש לציין כי דבק הפיברין לא לפגוע בשריר הלב, כפי שמעיד lACK של שיפוץ רקמות או דילול של חדר באתר (איור 2). שריר הלב יישאר ללא שינוי למרות התוספת של שני תיקון לב ודבק הנלווים לה. בנוסף, בדיקת כדאיות אישרה כי שהממשל של דבק הפיברין אל פני השטח החיצוניים של תיקון הידרוג'ל מתמצת תאים לא השפיע הישרדות תא בתיקון (איור 3).

אקו M-מצב תוצאות קשירת עורק מכלילים שמאלית בירידה בתפקוד לב, כפי שנמדדו על ידי אקו של (ב) לב בריא (א), בהתקף לב: איור 1.. לב אוטם שריר להראות חוסר ברור של קיר תנועה שבו רקמת קיימא הוחלפה ברקמת צלקת. זה בקורלציה עם ירידה למדידה במקטע הפליטה של ​​חדר השמאלי (EF), שבץ לבנפח (SV), ותפוקת לב (CO). ניתוח היסטולוגית של בריא (ג) ולב בהתקף לב (ד) מראה התרחבות של החדר השמאלי ודילול של קיר חדר השמאל של שריר הלב בהתקף הלב, שני הסימנים של שיפוץ רקמות ותצהיר רקמת צלקת. תמונות היסטולוגית הן פרוסות חתך לכידת השמאל (קאמרי גדול יותר) וחדרי לב תקין (קאמרי קטן יותר).

איור 2:. יישום של הפיברין ארובות מבטיחים תיקון הדבקה ללב התיקון ממוקם על פני השטח של הלב תוך חלל החזה חשוף במהלך ההליך (א). ברגע שהניח, דבק מבוסס הפיברין מתווסף על גבי הלב ולהתייבש. התיקון בבירור ניתן לראות בסעיפים היסטולוגית של רקמת לב שנאספו בפוסט הליך שבוע 1 (ב).ניתוק של התיקון ממשטח הלב בתמונות היסטולוגית הוא תוצר של תהליך האיסוף והחתך. תוצאות עולות בקנה אחד עד 8 שבועות של הידבקות.

איור 3: דבק מבוסס הפיברין אינו פוגע רקמות Encapsulated כדאיות תא נמדדו באמצעות ניתוח MTT שבוע 1 לאחר שהממשל של דבק מבוסס הפיברין באמצעות פרוטוקולים תיארו בפירוט בפרסומים קודמים ^8.. הכדאיות של תאים בתוך התיקון לא הושפעה על ידי התוספת של הדבק על פני השטח של המבנה.

Discussion

עם גישה זו למודל עכברי MI, פיתחנו מערכת הממזערת את הנזק לאזורים שאינם שריר הלב הקשורים לטכניקות MI עכברית אחרות. אזורים אלה כוללים נזק שנגרם על ידי הנשמה, חיתוך של השכבה הרירית, ושבירה של צלעות לחשוף את חלל החזה. אנו מאמינים כי שינויים אלה ישפרו את הודות התוצאה הניתוחית הכולל לטיפול נלקח כדי לשמור על כמה שיותר המבנים הגדולים, כולל צלעות ושכבות שרירים, ללא פגע במהלך ההליך הכירורגי.

יש לציין שיש כמה מגבלות לטכניקה זו, עם הטבע גוזל הזמן הגדול ביותר להיות בו, וכתוצאה מכך רק 8-10 ניתוחים מלאים ביום אחד. כדי להתגבר על זה, יכול לשמש למכונת הנשמה שנייה, המאפשר להליך שיש לבצע על שתי חיות במקביל. בנוסף, כלי גדולים, כגון כלי הצלע ועורק בית חזה פנים, יש להימנע בעת ביצוע פתיחת בית החזה. אם ליד אחד מהכלים האלה, יש להשתמש cauterizer כדי למנוע דימום החוצה בשל עורק קרוע.

דבק הפיברין ידוע בבזכות שתי המעבדה וההגדרות הקליניות ליכולתה כדי לסייע במהירות בהיווצרות קריש דם, כמו גם את הפוטנציאל שלה כדי לספק וMSCs מארח ^14-17,19. למטרות שלנו, דבק הפיברין שימש כגישה ביולוגית לשמירת הידרוג'ל על בסיס מים לבנות על פני השטח של הלב. השימוש בדבק מבוסס הפיברין הוכיח את יעילותו בשמירה על מבנה הידרוג'ל באתר הפגום עד 8 שבועות, עם האפשרות למגע עם רקמות של כמות זמן ארוכה יותר. השימוש במערכת זו אפשרה הידבקות שליטה על מיקום של המבנה העדין ללא צורך בתפרים נוספים הפוגעים בשריר הלב, כמו גם את המבנה עצמו. מצאנו כי הדבק עצמו אינו רעיל לתאים במארזnd לא להשפיע לרעה על הרקמה הבסיסית. המערכת מבוססת דבק הפיברין הידרוג'ל וניתן ליישם במגוון רחב של מטרות הנדסת רקמות אחרות שרוצות תא או קשר טיפולי לתקופה ארוכה של זמן. יתר על כן, עם השימוש בשיטת ייצור צד"ל, עיצובים ומבנים עשויים להיות משולבים בתוך התיקון כדי ליצור מערכת מורכבת יותר לתא משלוח ^18.

נסיגה אחת לשימוש בדבק מבוסס הפיברין היא העובדה כי חוקר אחד או יותר חייב להיות נוכח בחדר הניתוח במיקום תיקון ובנוסף דבק. זה התפקיד של החוקר הראשון לוודא את התיקון נשאר במקום ולא ללכת לאיבוד בחלל החזה, ואילו החוקר השני מערבב את הפתרון ומחיל אותו על התיקון לאחר שתושג צמיגות נכונה. כדי לייעל את העיתוי של מסירת הדבק, הוא הציע שהחוקר השני גם בדיקות ופעמים gelation של הדבק לפני השמת תיקון,מאז gelation התקינה של הדבק הוא קריטי להדבקת מדבקה.

ישנם מספר צעדים הקריטיים ואזורי מועדים שגיאה בפרוטוקול, עם הראשון להיות האינדוקציה של אוטם שריר הלב. זה הכרחי כדי לבדוק סימנים, כגון הלבנה בקיר של החדר השמאלי והגדלה של הפרוזדור השמאלי, כדי להבטיח חסימה של העורק הכלל השמאלי. ניתן לעשות זאת לפני התוספת של התפר פשוט על ידי חצייה והידוק סוף מחרוזות התפר. אם ייקבע שהעורק הכלל השמאלי אינו מוקף התפר, המחרוזת ניתן להוציא ולהחיל מחדש. מדד קריטי שני הוא להמשיך לפקח על צינור הנשמה בכל ההליך, כדי לוודא שהוא נשאר בתוך קנה הנשימה ולא מקבל שלף אמצע ניתוח. לבסוף, במהלך הניתוח, כל הניסיונות צריכים להיעשות כדי להימנע ממגע עם הריאות, כמו כל מגע יש הפוטנציאל להוביל לריאה התמוטטה.אם, במהלך הניתוח, מתכווצת ריאות מתרחש, פשוט לחסום את צינור היציאה של מַצנֵר עד 3 שניות בניסיון מחדש לנפח אזורים בעייתיים של הריאות.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Harvard Model 687 Mouse Ventilator	Harvard Apparatus	55-0001
Inintech Biosciences LLC Dry Glass Bead Sterilizer	Fisher Scientific	NC9531961
Leica MZ6 surgical microscope	Leica
Cautery Kit	Gemini	GEM 5917
Delicate Forceps - 0.4 mm Tips Angled	Fine Science Tools	11063-07
Agricola Retractor - 3.5 cm Spread	Fine Science Tools	17005-04
Spring Scissors - 2.5 mm Blades Straight	Fine Science Tools	15000-08
Castroviejo Needle Holder - w/Lock Tungsten Carbide 14 cm	Fine Science Tools	12565-14
Iris Scissors - Delicate Straight 10.5 cm	Fine Science Tools	14060-10
8-0 monofilament suture	Ethicon	8730P
6-0 Silk suture	Ethicon	639G
Thrombin	Sigma	T7009
Fibrinogen	Sigma	F3879
Vetbond Tissue Adhesive	3M	1469SB