Biotechnologen Kenntnisse haben erheblich advanced cardiac Gerüst engineering-Techniken zur Behandlung von Myokardinfarkt, eine form von Herz-Kreislauf-Erkrankungen und die häufigste Ursache für Morbidität und Mortalität weltweit. Allerdings ist es immer noch schwierig zu replizieren strukturelle Spezifität und Variabilität der kardialen Geweben mit traditionellen biotechnischen Prozessen. In einem neuen Bericht auf die Wissenschaft Fortschritte, das Haitao Cui und einem interdisziplinären Forscherteam an der National Institute of Health, University of Maryland und der George Washington University, USA, entwickelt Sie eine vier-dimensionale (4-D) Herz-patch mit physiologischen Anpassungsfähigkeit. Sie verwendeten beam scanning Stereolithographie-Verfahren zu drucken, den Bau und die kombinierte 4-D selbst-morphing mit erweiterbarer Mikrostrukturen zur Verbesserung Ihrer biomechanischen Eigenschaften zu integrieren, die innerhalb des schlagenden Herzens. Die Ergebnisse zeigten verbesserte gefäßbildung und Reifung der kardiomyozyten unter physiologisch relevanten mechanischen stimulation. Die Konstrukte waren geeignet für den Einsatz in einem Maus-Modell der chronischen Myokardinfarkt (MI) mit verbesserter Zell-engraftment und vaskuläre Versorgung. Die Arbeit bietet eine effektive Behandlungsstrategie für MI und eine cutting-edge-Bio-Engineering-Methode zur Verbesserung der strukturellen Gestaltung von komplexen Geweben für die organ-regeneration.
Biotechnik das menschliche Herz
Das Herz ist eine dynamische und vielzelligen Gewebe-gebundenen organ mit sehr spezifischen strukturellen und funktionellen Eigenschaften. Adult cardiac Muskeln fehlen der Fähigkeit, sich selbst zu reparieren und zu regenerieren, nach MI, deswegen sind die traditionellen Herz-patches dienen als vorübergehende mechanische Unterstützung der Systeme, um zu verhindern, dass post-Infarkt linksventrikulären remodeling. Der Bereich der Herz-engineering Schwellenländern zu generieren funktionellen kardialen Geweben, wie eine langfristige, aussichtsreiche alternative zur Reparatur beschädigter Gewebe. Das Gerüst bieten können mechanische Unterstützung mit cellularized patches und Wiederherstellung der Funktionalität des geschädigten Myokards. Hydrogel-basierte Materialien, die aus natürlichen Quellen sind gut geeignet, um imitieren die Gewebe-mikroumgebung und Unterstützung der zelladhäsion und-Wachstum. Sie bieten günstige Matrizen für das Wachstum und die Differenzierung von Herzmuskelzellen, sondern Ihre strukturelle Konstruktion und Fertigung Grenzen haben klinische Anwendungen schwierig. Die meisten Forschungsteams integrieren menschlichen induzierten-pluripotent-Stammzellen abgeleiteten kardiomyozyten (hiPSC-CMs) als eine kontinuierliche Quelle von Zellen für die Zelldifferenzierung (Wachstum und Reifung), die aufgrund Ihrer vielversprechenden Anwendungen in der Herz-engineering.
Cui et al. entwickelt ein 4-D hydrogel-basierte Herz-patch mit einen bestimmten smart-design für die physiologische Anpassungsfähigkeit mit beam-scanning-Stereolithographie-Verfahren zu erreichen, werden viele einzelne micropatterns und microarchitectures. Die self-morphing-Prozess erreicht Konformationen identisch mit der oberflächenkrümmung des Herzens. Die Wissenschaftler machten die physiologischen Funktionen des Herz-Gewebe zu erstellen, die eine in hohem Grade stretchable Mikroarchitektur mit hydrogel für einfache transformation aus einer wellenförmigen zu-mesh-Muster relativ zu der diastole und systole Funktionen des kardialen Zyklus. Das team dann die tri-kultivierten kardiomyozyten, mesenchymalen Stromazellen und endothelialen Zellen entwickelt, Herz-patches zu reproduzieren vaskulärer Netzwerke zu unterstützen und zu führen contracting-Zellen.
Die Gestaltung einer physiologisch anpassbar Herz-patch
Mit Beugung tensor-Bildgebung (DTI), die Wissenschaftler festgestellt, eine spiralförmige Netzwerk von myofibers in den linken Ventrikel (LV) angeordnet, um die form eines Blatt-Struktur, während computer-aided design (CAD), half Ihnen, verwandeln die anatomischen details der komplexen Faser-arrangements, um eine geplante Herz-Gewebe. Die diastole und systole Funktionen sind spezifisch für die kardiale Gewebe und induziert durch Herzmuskel-Kontraktionen, die zum erzeugen der Kraft für die Durchblutung. Die Lautstärke ändern, im Herzen entfielen auf die dynamisch gestreckte Anordnung der Fasern in einer ausgewählten region. Konto für ventrikuläre Krümmung, die CAD-abgeleitet mesh-Muster kann sich daher ändern, um ein Sechskant-oder wellenförmig in der 2-D Ebene. Herz-Muskel-Fasern enthalten, die längs gebündelten myofibrillen mit kardiomyozyten und Kollagen-Hüllen, umgeben von high-density-Kapillaren. Dieses anisotrope muskulös Architektur produzieren können abgestimmte Elektromechanische Aktivitäten der Kammern, wie die Kontraktion und die Ausbreitung der Erregung Welle.
Um Sie zu integrieren, das die Beziehung zwischen der dehnbaren Struktur und ventrikuläre Krümmung, die mathematisch-team zeichnet sich das design mit einer einfachen, soliden geometrischen Modell durch eine Ebene Kurve Prototyp. Forscher hatten zuvor das Licht-induzierte 4-D-morphing mit angepassten Strahl-scanning-Stereolithographie-Verfahren zu entwickeln, die laser-induzierte benotet internen stress als eine der wichtigsten Tauch-Kraft für 4-D dynamic morphing in neural engineering. Auf diesen Prinzipien basieren, die 3-D-gedruckte Herz-patch entwickelt, der von Cui et al. verwandeln könnte aus einem flachen Muster um die 4-D gebogene Architektur, abhängig von der Auswahl des geeigneten Druck-Parameter.
Druck und Optimierung des Herz-patch
Die Wissenschaftler verwendeten eine druckbare Tinte aus Gelatine-Methacrylat (GelMA) und Polyethylen-glycol-diacrylat (PEGDA) Ingenieur der anisotropen Herz-patch mit myokardialen Faser-Orientierung. GelMA ist ein photocurable biomaterial mit vielen Peptid-Sequenzen zur Förderung der zelladhäsion und Wachstum. Die Druckgeschwindigkeit beeinflusst die photocuring Leistung und strukturelle Genauigkeit-prompt 4-D selbst-morphing. Das team bestimmt die Druck-Genauigkeit von Faser-Anordnung und veränderten die Gewichts-Verhältnis von GelMA und PEGDA für die daraus resultierenden mechanischen moduli der Hydrogele zu erreichen, der E-Modul des nativen Myokards, während die gedruckten Muster dargestellt, die Mikroarchitektur des nativen myokardialen Gewebe.
Das team kultivierten hiPSC-CMs auf den Gerüsten, die aufgrund Ihrer bekannten Fähigkeit zur Wiederherstellung der kardialen Funktionen, und nach drei Tagen, den beigefügten hiPSC-CMs zeigten spontane Kontraktionen. Sieben Tage später, die hiPSC-CMs gebildeten Aggregate auf der Oberseite der gedruckten Fasern für synchrone Kontraktion für elektrophysiologische Zell-Kopplung. Von Tag sieben, die kardiomyozyten zeigten eine erhöhte Wachstum auf die Herz-Kreislauf-patches, während calcium-Transienten erhöht werden, um einen stabilen Zustand zu etablieren, die herausragende funktionelle Kontraktion-Entspannung physiologischen Verhalten.
Funktionelle Reifung tests und in-vivo-implantation
Für biomechanische stimulation und funktionelle Reifung Studien, die das team durchgeführt wurden und festgestellt, die expression von kardialen Genen der Zell-material-Konstrukte. Von Tag 14, Sie nahm die erhöhte expression der Gene, die mit Erregung-Kontraktion Kupplung, sarcomeric Struktur und der Angiogenese (Bildung neuer Blutgefäße), da die iPSC-CMs in der gedruckten patches gereift in der Zeit. Das team implantierte die Herz-patches in murinen Modellen der Ischämie-reperfusionsschaden für die klinisch akute oder chronische Herzerkrankungen simulation in der Herz-Kreislauf-Forschung.
Sie beurteilten die Herz-patches in eine langfristige (vier Monate) – Studie nach der implantation zu markieren, die Wiederherstellung von Tier-Modelle innerhalb kurzer Zeit mit weniger Entzündungen und eine hohe rate des überlebens—im Vergleich zu den klassischen MI-Modell. Das team führte immunfluoreszenz-assays, um zu zeigen, vaskuläre Zellen überspannt die Oberfläche des Herzmuskels und erweitert die innerhalb der myokardialen patch, wodurch die mechanische Unterstützung und wirksam zu verhindern, LV (Linker Ventrikel) Umbau. Durch die vier Monate, die implantierten patch zeigte eine ausgezeichnete Verbindung mit der Maus von Herzen, die Wissenschaftler festgestellt, eine höhere zelldichten und kleineren infract-Bereich in der cellularized patch im Vergleich zu azellulären patches implantiert in der MI-Gruppe.