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生物工程仿生人类小肌肉肺动脉

在肺动脉高压的发展过程中,小肌肉动脉的结构和功能变化起着重要作用,并助长了这种疾病。生物工程师的目的是开发先进的,微解剖学上的仿生体外微血管模型,因为非人类的血管不能准确代表人类的微血管结构和微环境。在Qian Qian Jin和美国约翰·霍普金斯大学多学科研究小组的最新科学进展报告中,描述了一种平行生物制造光图案,自卷式和仿生的可调节大小和结构的肺动脉微血管的新方法。

微血管的特征是解剖学上准确的分层和模式排列的人类平滑肌细胞,细胞外基质和内皮细胞。该结构在内皮细胞中的寿命显着增加,并产生一氧化氮。科学家使用计算图像处理来获得细胞和蛋白质的高分辨率二维模拟,这项新工作为生物工程多细胞组织基于精确的三维(3-D)空间定位提供了完整的模型。新的仿生平台将使医学研究人员能够研究人类疾病中的微血管病理生物学。

在包括肺心病在内的主要心血管疾病(CVD)中,动脉血管血管舒缩张力的失调会增加外周阻力。研究人员使用术语“人的小肌肉肺动脉”(hSMPA)来描述人肺循环过程中供应侧的微血管阻力血管。这种血管相当于全身循环中的动脉。尽管现有的实验室模型无法充分概括脉管系统的复杂性,但CVD的动物模型由于它们偏离人类血管基础设施,因此也受到限制。受微血管组织启发的体外模型将在基础和转化研究过程中提供更高的效率,从而改善CVD病理生理学。例如,组织工程师先前已经开发了单片组织或单片器官系统,以将细胞培养与微流控相结合模仿生理环境,并提供线索来研究病理生理和药物发现或开发。然而,微制造的流体芯片不能概括微容器的天然形态,并且需要用于规模化生产的专用机械。为了解决这些现有限制,Jin等人。创建了具有hSMPA(人类小肌肉肺动脉)基本特征的仿生构造。

为了实现解剖学上正确的分层,科学家将重点放在血管平滑肌细胞(VSMC)的排列和生长方式上,将其作为肺动脉高压发病机理中的关键特征。设计用于hSMPAs的准确细胞结构的方法可确保模型的精确仿生,以测试和概括疾病的病理生理学。该团队使用光刻技术和生物相容性薄膜沉积技术来精确地图案化人体细胞并概括血管壁的微结构。

该研究团队结合了hSMPA的关键特征,包括直径在50到300 µm之间,融合的内皮细胞内膜(EC)和对齐的VSMC(血管平滑肌细胞)群体。然后,他们在晶圆级设计了一氧化硅/二氧化硅(SiO / SiO 2)双层,自折叠膜,并在工作期间结合了光刻,物理气相沉积和蛋白质构图。二氧化硅适于表面修饰,使它们能够在管状构造的腔表面上对基质蛋白进行图案化。Jin等。SiO / SiO 2下使用过的锗(Ge)双层是一种对细胞友好的构造,可防止在肺动脉组装过程中使用刺激性化学物质。该表面提供了可调节的分离,以优化组成细胞层的粘附力,并在实验过程中实现了均匀的细胞覆盖。

管状构造和表征细胞覆盖范围的机械考虑

然后,研究小组开发了一个机械模型,并包括弹性模量(应力和应变比),基底厚度和曲率半径,以研究暴露于管状构造的血管壁细胞的硬度。SiO和SiO 2的弹性模量比天然肺动脉壁的弹性模量高六个数量级。为了模拟细胞在其自然环境中暴露的弯曲刚度,Jin等人。然后考虑一个理论模型。使用有限元分析,他们验证了理论比例定律并测试了代表细胞牵引力的比例常数。基于结垢分析,SiO / SiO 2管状构造近似于hSMPA壁的微力学,而可生物降解构造的弯曲刚度最终类似于天然状态,从而增强了材料的生物相容性。

将人肺微血管内皮细胞(HPMEC)播种在构建体上48小时后,他们在仿生微血管腔表面上观察到了汇合的单层细胞。由于结构的深度和曲率,他们无法对整个3D仿生微血管成像,他们使用折射率匹配的封固剂解决了这些问题。此后,他们获得了样品每一面的顺序成像,从而获得了整个管的Z形堆栈,以进行3-D观察。

将HPMEC与人类肺动脉平滑肌细胞(HPASMC)共培养。

为了模拟人的小肌肉肺动脉的结构和组成,研究小组将人肺动脉平滑肌细胞(HPASMC)植入了双层材料的顶部,然后沉积了层粘连蛋白–内部弹性薄片的主要组成部分。他们在3-D高分辨率下观察到两种细胞类型的独特且解剖学上正确的分层。人小肌肉肺动脉(hSMPA)内侧层的血管平滑肌细胞(VSMC)通常沿周向排列,以影响肺微血管流动和血管反应性。但是,计算模型无法捕获这种对齐方式,也无法进行可调性以有效解决VSM在hSMPA细胞结构中的重要性或其对肺血管阻力的影响。Jin等。因此,在释放和滚动仿生微血管之前,先在平板上使用平版印刷术和图案化纤连蛋白。这项工作使他们能够观察到要保留的图案的完整性。当科学家在这些表面上培养HPASMC时,这些细胞表现出高保真度和解剖学上精确的细胞排列。因此,该团队将在未来通过这种掩模设计增加边界条件,从而引入可控制的构图方向性。

HPMEC和HPASMC位于仿生hSMPA中。(A)仿生hSMPA的共聚焦Z栈的重建,该栈由HPMEC(腔)和HPASMC的分层共培养物构成。(i)VE-钙黏着蛋白(抗体标记,绿色),(ii)平滑肌α-肌动蛋白(α-SMA)(抗体标记,红色),和(iii)包括两种细胞类型(DAPI,灰度)的细胞核的合并图像)。比例尺,100μm。(B)(i)仿生hSMPA小区域的两通道共聚焦成像的3D视图。使用抗-VE-钙粘着蛋白抗体(绿色)显示HPMEC,而平滑肌α-肌动蛋白抗体标记(红色)显示HPASMC。(ii)XZ投影证明了这两种仿生hSMPA中这两种细胞成分的分离和分层。(ii)中的底部面板是从(i)中取样的,并且显示强度分布。比例尺,20μm。(iii)绘制归一化的荧光强度与距管腔的相对径向距离的关系。两个单元层之间的距离约为3.5μm。图片来源:Science Advances,doi:10.1126 / sciadv.aaz2598

仿生肺动脉的细胞寿命延长和信号传导改善

由于长期的细胞生存力在组织工程中很重要,因此研究小组观察到在仿生肺动脉(hSMPA)中共培养的内皮细胞(HPMEC)和平滑肌细胞(HPASMC)均具有长寿性。HPMEC还显示出在仿生容器内大量的一氧化氮生成,与在SiO / SiO 2平板膜上培养的对照细胞相比,其在48小时内增加了四倍。数据显示仿生肺动脉如何增强血管壁细胞的健壮功能。

通过这种方式,Qianru Jin及其同事开发了可大量生产的,自折叠的可调构建体,该构建体可进行精确的多细胞分层,从而增强实验室中人肺血管细胞的生存能力和功能。团队描述的第一综合方法图案,生成图像并分析microaligned和分层内仿生细胞和组织级的功能的体外肺动脉。这项工作提供了重要的步骤,可以形成一个体外平台,并在解剖学上准确的人体组织特异性环境中研究血管壁生物学。科学家希望这种新方法能够提供洞察力,以了解心血管疾病和其他紧迫的基于微血管的公共卫生挑战。

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