İnsan vücudundaki vasküler ağ, kan ve çevre dokular arasındaki molekül ve hücre alışverişini dinamik olarak düzenleyerek çok önemli bir taşıma bariyeri olarak işlev görür. Bu düzenleme, doku ödemini önlemek ve seçici besin ve hücre alışverişini sağlamak, böylece doku metabolizmasını ve homeostazı desteklemek için gereklidir1. Birçok sağlık durumunda bir faktör olan değişmiş endotel geçirgenliği, hem hastalık şiddetini hem de tedavi etkinliğini etkiler2. Vasküler endotel, damarlar, dokular ve organlar arasındaki transferi kolaylaştıran seçici bir bariyer görevi görür. Bu düzenleme, çözünen maddelerin ve küçük moleküllerin temel filtrelenmesi, vasküler bariyerin kasıtlı olarak bozulması ve prostaglandinler ve büyüme faktörleri gibi moleküllerin geçirgenlik seviyeleri üzerindeki etkisi gibi çeşitli mekanizmaları içerir3.
Bu düzenlemedeki anahtar faktörler arasında endotel hücre bağlantıları, lökositlerin göçü ve kan-beyin bariyerininişlevselliği 4 yer alır. Karmaşıklığı göz önüne alındığında, süreç, çeşitli kan damarı tiplerini içeren ve farklı anatomik yollar kullanan farklı ortamlara göre değişir. Vasküler geçirgenliğin biyolojik temellerini anlamak, anormal vasküler geçirgenlik ile ilişkili durumları tedavi etmek için terapötik yaklaşımlar geliştirmek için çok önemlidir. Vasküler geçirgenliğin korunması, vasküler sistemin ve çevre dokuların sağlığı için çok önemlidir; Sonuç olarak, bu fonksiyonun bozulması, endotelin normal işlevselliğini kaybettiği bir durum olan endotel disfonksiyonuna yol açar.
Endotel disfonksiyonu, hipertansiyon, koroner arter hastalığı, diyabet ve kanser dahil olmak üzere birçok yaygın insan hastalığının öncüsüdür 5,6,7. Bu durum, azalmış vazodilatasyon, artmış damar geçirgenliği ve proinflamatuar bir duruma eğilim dahil olmak üzere çeşitli şekillerde ortaya çıkabilir. Bu patolojik durum, Amerika Birleşik Devletleri'nde önde gelen mortalite nedenleri olmaya devam eden koroner arter hastalığı, felç ve periferik arter hastalığı8 gibi birkaç kritik kardiyovasküler sorunun en erken aşamasıdır1. Endotel disfonksiyonu, kardiyovasküler sağlığın yanı sıra kan-beyin bariyerini (BBB) etkiler ve çeşitli nörolojik bozuklukların ilerlemesinde önemli bir rol oynar. Disfonksiyon, BBB geçirgenliğini artırabilir, böylece toksinlerin, patojenlerin ve bağışıklık hücrelerinin merkezi sinir sistemine sızmasına izin verir ve inme, Alzheimer hastalığı, multipl skleroz ve beyin enfeksiyonları gibi nörolojik bozukluklara katkıda bulunur9.
Diyabette endotel disfonksiyonu, endotelin vasküler tonusu düzenleme ve nitrik oksit gibi vazodilatör mediatörler üretme yeteneğinin bozulması ile işaretlenir ve bu da vazodilatasyonun bozulmasına yol açar10. Bu durum, protein kinaz C aktivasyonu ve oksidatif stres gibi hipergliseminin neden olduğu yollarla daha da kötüleşir ve diyabetik vasküler hastalığın ilerlemesine önemli ölçüde katkıda bulunur11. Ayrıca, enflamatuar bir ortamın tümör hücresinin beyin mikrovasküler endotel hücrelerine yapışmasını arttırdığı bulunurken, sızdıran bir endotelin kanser metastazında önemli bir faktör olduğu bildirilmiştir12,13. Kan damarlarının geometrisinin beyin kanseri metastazını doğrudan etkilediği bulunmuştur. Tümör hücreleri tercihen daha büyük kan damarı eğriliği olan bölgelerebağlanır 7. Bu bulgu kanser metastazında vasküler geometrinin önemini vurgulamaktadır. Daha da önemlisi, fibrozis ve kanser gibi durumlarda, bozulmuş endotel bariyer fonksiyonu sadece hastalık gelişiminde rol oynamakla kalmaz, aynı zamanda yeterli ilaç dağıtımını engelleyerek tedavi etkinliğini de engeller14. Vasküler geçirgenlik üzerine yapılan araştırmalar, kardiyovasküler hastalık tedavisini ilerletmek ve vasküler fonksiyonun bozulmasını içeren diğer hastalıkların yönetimine ilişkin içgörüler sunmak için çok önemlidir.
Vasküler geçirgenliğin sağlık ve hastalıktaki kritik rolü göz önüne alındığında, önemli araştırmalar, geleneksel 2D ve 3D in vitro test platformlarının yanı sıra hayvan modelleri kullanarak terapötik gelişim için endotel bariyerinin seçici doğasını incelemeye odaklanmıştır. Bununla birlikte, hayvan modellerinin, türe özgü farklılıklar ve etik sorunların yanı sıra yüksek maliyetler nedeniyle sınırlamaları vardır15,16. Örneğin, Pfizer, 2004 yılında, son 10 yılda, hayvan modellerinde umut verici etkiler gösteren ilaç geliştirmelerine 2 milyar doların üzerinde harcama yaptığını, ancak sonunda gelişmiş insan testi aşamalarındabaşarısız olduğunu belirtti 17. Ayrıca, geleneksel 2B modeller, üç boyutlu (3B) mimariyi ve vasküler kanalların karmaşık geometrik yapısını doğru bir şekilde taklit etmez.
Biyofabrikasyon teknolojilerindeki gelişmelerle birlikte, 3D mimariyi özetlerken vasküler kanalların üretilmesi için kapsamlı çabalar sarf edilmiştir. Mikro ölçekli vasküler kanallar, yumuşak litografi kullanılarak mikroakışkan çipler içinde etkili bir şekilde üretilebilir, böylece gerçek zamanlı analiz avantajı sunar18,19. İstenilen çapa20,21 sahip bağımsız boru şeklinde yapılar oluşturmak için hidrojel döküm veya hücre tabakalarının bir kalıp veya mandrel etrafına sarılması gibi alternatif yöntemler kullanılabilir. Ancak bu yöntemlerin sınırlamaları vardır; Örneğin, mikroakışkan çipler, mikrokanal konfigürasyonlarıyla sınırlıdır ve bir kalıbın etrafındaki hidrojel dökümü, birden fazla geometriyi etkili bir şekilde kopyalamaz.
3D biyo-baskı teknolojisinin22 ortaya çıkmasıyla birlikte, çeşitli hücre dışı matris (ECM) bazlı hidrojel malzemeleri hassas bir şekilde biriktirerek karmaşık geometrileri çoğaltmak mümkün hale geldi23,24. Koaksiyel ve üç eksenli25,26 gibi eşmerkezli olarak düzenlenmiş nozullar kullananlar gibi bazı biyo-baskı yöntemleri, çatallı tüpler oluşturamaz; Bununla birlikte, kurban desenleme yöntemleri ile karmaşık yapılar elde edilebilir27. Bu biyo-baskı yöntemlerinin hiçbirinin, ilaç keşfinde farmakolojik araştırmalar için çok önemli bir gereklilik olan yüksek verimli in vitro modellemeyi mümkün kıldığı gösterilmemiştir. Burada, boyutlar üzerinde etkin kontrol ile endotelyalize vasküler kanalların verimli bir şekilde üretilmesi için bir yöntem sunuyoruz.
Ticari olarak temin edilebilen altı oyuklu plakaları, bir biyoyazıcının bir ECM hidrojeli içinde istenen boyut ve desenlerde vasküler kanallar ürettiği kurban modelleme yöntemiyle birleştirerek basit bir yaklaşım oluşturduk. İnsan göbek damarı endotel hücreleri (HUVEC'ler), bu kanalları endotelyalize etmek ve bir geçirgenlik testi ile endotelin işlevselliğini değerlendirmek için tohumlandı. Bu tasarım, kanalın her iki tarafında medya rezervuarları oluşturarak pompasız perfüzyonu mümkün kılar ve dinamik kültürü taklit etmek için yaygın olarak kullanılan bir 2D rocker yardımıyla yerçekimi güdümlü akışı kullanır. Bu yaklaşım, peristaltik pompalara olan ihtiyacı ortadan kaldırır ve yüksek verimli uygulamalar için bu platformun ölçeklenebilirliğini kolaylaştırır. 3D biyo-baskı teknolojisinin bilgisayar kontrollü doğası, üretim sürecini de kolaylaştırarak üretim sırasında hata olasılığını azaltır. VOP modeli, ilaç keşfinde farmakolojik testler için değerli bir araç olarak umut vaat etmektedir.