Širdies audinių inžinerijos hidrogeliai | NPP Azijos medžiagos

Širdies audinių inžinerijos hidrogeliai | NPP Azijos medžiagos

Anonim

Dalykai

  • Biomedicininės medžiagos
  • Geliai ir hidrogeliai
  • Širdies nepakankamumas
  • Regeneracinė medicina

Anotacija

Širdies nepakankamumas yra kritinė būklė, sukelianti gyvybei pavojingas pasekmes. Dėl riboto organų donorų skaičiaus, audinių inžinerija atsirado siekiant sukurti funkcinius audinių darinius ir suteikti alternatyvų būdą pažeistų širdies audinių atstatymui ir regeneravimui. Šiame darbe apžvelgiame naujas kryptis, susijusias su širdies audinių inžinerijos metodais. Visų pirma, mes aptariame hidrogelių naudojimą pažeistoms širdims atstatyti ir regeneruoti. Dėl savo audiniams būdingų biologinių, cheminių ir mechaninių savybių hidrogeliai yra potencialiai galinga medžiaga, nukreipianti ląsteles į funkcinius širdies audinius. Čia mes apibendrinsime tiek tradicinius, tiek naujos kartos hidrogelius, turinčius laidžias, elastomerines ir deguonį atpalaiduojančias savybes, kurios gali skatinti kraujagyslių išsiskyrimą ir kamieninių ląstelių diferenciaciją, kad susidarytų tinkamai veikiantys širdies audiniai.

Įvadas

Remiantis Amerikos širdies asociacija, širdies ir kraujagyslių ligos yra svarbiausia mirties priežastis pasaulyje. 1 Visų pirma, miokardo infarktas (MI), plačiai žinomas kaip širdies priepuolis, yra viena pagrindinių mirties priežasčių, susijusių su širdies ir kraujagyslių ligomis. MI sukelia širdies kraujotakos sutrikimą, dėl kurio širdies raumenyse trūksta deguonies, o galiausiai - ląstelės. 2 Dėl to likusiame raumeniniame audinyje vyksta struktūrinis ir funkcinis atstatymas, kurį rodo skilvelių sienelių plonėjimas ir kameros išsiplėtimas. 3 Dėl ribotų suaugusiųjų širdies kardiomiocitų regeneracijos galimybių audinys visiškai atsinaujina pats. 3, 4 Taigi nepaprastai reikia naujų gydymo strategijų, kad būtų galima ištaisyti sutrikusią širdį.

Sintetiniai implantai, skirti pakeisti širdies funkciją, pavyzdžiui, kairiajame skilvelyje esantys pagalbiniai įtaisai, jau daugelį metų yra naudingi terapiniai metodai; tačiau jie turi nemažai trūkumų, tokių kaip ribota gyvenimo trukmė ir galimos problemos, susijusios su infekcija ir tromboze. Todėl širdies transplantacija išlieka tinkama galimybe gydyti pacientus, sergančius širdies nepakankamumu paskutinės stadijos pacientams. 2 Tačiau dėl riboto organų donorų skaičiaus ir galimų atmetimo problemų reikia novatoriškų alternatyvių būdų. 6, 7

Tiesioginis ląstelių įšvirkštimas į širdies raumenį buvo naudojamas kaip būdas pristatyti ląsteles į infarktą. 4, 5, 8, 9 In vivo įrodyta, kad šis metodas šiek tiek sėkmingai atgauna raumenų funkciją po MI. 10, 11 Tačiau imp 90% įšvirkštų ląstelių miršta po implantavimo, parodydami kraujagyslių ir tinkamos audinių mikroarchitektūros svarbą širdies audinių regeneracijai. 2, 8 Visų pirma, aplinkos stresas, susijęs su trijų matmenų (3D) lanksčios biomimetinės mikroaplinkos trūkumu ir tiesioginiu atskirų ląstelių poveikiu deguonies įtampai, laisviesiems radikalams ir uždegiminiams citokinams, sukelia ląstelių mirtį. 10 Todėl labai reikia inžinerinių biomedžiagų, kurios galėtų būti naudojamos kaip 3D matricos, kad efektyviai pristatytų ląsteles į pažeistą širdies raumenį ir palengvintų miokardo regeneraciją.

Šiuo tikslu buvo sukurtos audinių inžinerijos strategijos, skirtos pakeisti pažeistus ar pažeistus širdies audinius. 2, 4, 9, 12, 13 Nors audinių inžinerijos platformos buvo sėkmingai naudojamos invazinių organų inžinerijai, sukurti dirbtinius pakaitalus labai vaskuliarizuotiems širdies audiniams išlieka nepaprastai sudėtinga. 14 Dėl savo labai suderinamų savybių šiems apribojimams pašalinti buvo naudojami inžineriniai hidrogeliai.

Hidrogeliai sudaryti iš 3D hidrofilinių polimerų tinklų, kurie, veikdami vandenį, gali išsipūsti. 15 Ši savybė leidžia hidrogeliams imituoti specifinius audinių mikroaplinkos aspektus. 16, 17 Hidrogeliai yra plačiai naudojami širdies ir kraujagyslių audinių inžinerijoje dėl jų gebėjimo palaikyti ląstelių sukibimą ir augimą. 2, 18, 19 Be to, hidrogelai gali būti modeliuojami, naudojant mikrofabrikavimo metodus, kad sukeltų inžinerinių širdies konstrukcijų vaskuliarizaciją arba nukreiptų širdies ląstelių suderinimą ir atitinkamai pagerintų jų funkcijas. 14 Hidrogeliai mechaniškai palaiko širdies ląsteles tam, kad būtų sukaupta tarpląstelinė matrica (ECM) ir suformuotų naujai susintetintą audinį, kai jie skaidosi. 3, 10 Be to, fizikines ir chemines hidrogelių savybes galima lengvai suderinti, kad padidėtų ląstelių gyvybingumas ir funkcijos. Todėl hidrogeliai yra patraukli medžiaga pažeisto miokardo regeneracijai.

Širdies audinių inžinerijai buvo naudojami tiek natūralūs, tiek sintetiniai šaltiniai. Kai kurie iš plačiai naudojamų hidrogelių yra kolagenas, 2 želatinos, 2 Matrigel, 20 alginato, 21 fibrino, 2 poli (2-hidroksietilmetakrilato) (PHEMA), 22 poli (N-izopropilakriliamido) (PNIPAAM) 23 ir poli (etilenglikolio). (PEG). 3 Šios medžiagos gali būti naudojamos pačios arba kartu su ląstelėmis. 24 Be to, į šiuos hidrogelius gali būti įterpiami augimo faktoriai, kurie skatina audinių formavimąsi. 25

Šiame darbe aptarsime tradicinius ir naujos kartos hidrogelius, turinčius deguonį atpalaiduojančias, elastomerines ir laidžias savybes, kad jie būtų naudojami širdies audinių inžinerijoje. Be to, mes apibendrinsime hidrogelio pagrindu sukurtas platformas, kurios gali būti naudojamos skatinti kraujagyslių išsiskyrimą ir kamieninių ląstelių diferenciaciją, siekiant sukurti funkcinius širdies audinius. Be to, pateiksime pavyzdžių, kuriuose panaudoti įvairūs hidrogeliai, ląstelių šaltiniai ir naujos pristatymo strategijos sudaužytai širdžiai atkurti ar regeneruoti.

Tradiciniai širdies audinių inžinerijos hidrogeliai

Hidrogeliai buvo plačiai naudojami regeneracinėje medicinoje dėl jų labai derinamų cheminių, fizikinių ir mechaninių savybių. 17, 26, 27, 28, 29, 30, 31 Visų pirma, hidrogelio pagrindu pagamintos medžiagos buvo sėkmingai panaudotos širdies audinių inžinerijoje kaip struktūrinės / mechaninės atramos, kurios palaiko ląsteles vietoje, 2 skatina vaskuliarizaciją, 32 pristato mažas molekules, 33 persodinamos. ląstelės 17 ir pagamintos širdies pleistrai. 34 Gebėjimas sureguliuoti fiziologines hidrogelių savybes suteikia unikalias galimybes kontroliuoti įvairias ląstelių elgsenas, įskaitant migraciją, proliferaciją ir diferenciaciją, ir daro didelę įtaką audinių gijimui po transplantacijos.

Hidrogeliai gali būti tiekiami į širdį, kad pagerėtų širdies audinio funkcija, nenaudojant ląstelių. Pavyzdžiui, PNIPAAM, temperatūrai jautri medžiaga, buvo naudojama kartu su hidroksietilmetakrilato poli (trimetileno karbonatu) ir akrilo rūgštimi (AAc), kad būtų galima patekti į MI sritį žiurkės modelyje (1 pav.). Buvo nustatyta, kad šie hibridiniai hidrogeliai sumažina kairiojo skilvelio išsiplėtimą ir pagerina širdies veiklą. Kito tyrimo metu buvo parodyta, kad implantuoti plastiku sustiprinti PHEMA geliai, naudojami šunų modelyje, po vienerių metų neturėjo reikšmingo uždegimo, parodydami jų kaip perikardo pakaitalų potencialą. 22

Image

Bendrojo NIPAAm-bendro-AAc-bendro-HEMAPTMC hibridinio hidrogelio morfologija ir eksperimentiniai rezultatai praėjus 8 savaitėms po implantacijos į žiurkės miokardą po MI. a ) Termiškai jautraus hidrogelio sudėtis buvo (NIPAAm-co-AAc-co-HEMAPTMC) (86/4/10). b ) Terapinis hidrogelis buvo labai elastingas. c ) Kontrolinis eksperimentas su fosfatu buferiniu druskos tirpalu (PBS). d ) Žiurkės širdies vaizdas po hibridinio hidrogelio injekcijos. e ) Histologinė analizė hematoksilinu / eozinu (H&E) dažant PBS švirkščiamą širdį. f ) hibridinio hidrogelio sušvirkštos širdies histologiniai rezultatai, nustatyti H&E dažymu. g ) Imunohistocheminiai audinių įaugimo įšvirkštame hidrogelyje rezultatai. 23 Autorių teisės (2009 m.), Gavus „Elsevier“ leidimą.

Visas dydis

Be ne ląstelinių programų, temperatūrai jautrus PNIPAAM taip pat buvo naudojamas kartu su ląstelėmis. 2 Pavyzdžiui, buvo išgautas dvisluoksnis hidrogelis iš reaguojančio į temperatūrą ir nereaguojančio polimero, kad būtų galima ištirti jo galimą panaudojimą kaip implantuojamą ląstelių užpildytą tiekimo sistemą. Naujagimių žiurkių kardiomiocitai buvo auginami ant hidrogelių, kol jie pasiekė santaką. Vėliau temperatūra buvo sumažinta, o hidrogelio lakštai buvo sulenkti / suvynioti į vamzdelius dėl skirtingo dvisluoksnių polimerų patinimo savybių skirtumo, dėl to susidarė ląstelių pakrauti hidrogelai kateterio pagrindu veikiančioms įvedimo sistemoms.

PEG hidrogeliai buvo plačiai naudojami širdies funkcinių audinių inžinerijai. Vieno tyrimo metu kardiomiocitai buvo kapsuliuoti arginino, glicino, asparto rūgšties (RGD) modifikuotuose PEG hidrogeliuose. 35 Nustatyta, kad RGD konjuguoti PEG hidrogeliai užtikrino žymiai didesnį ląstelių gyvybingumą, palyginti su jų nemodifikuotais kolegomis. Panašiai PEG kartu su tiolio modifikuota hialurono rūgštimi buvo naudojami generuojant hidrogelius, kurie laikui bėgant padidino jų standumą. Hibridiniai hidrogeliai buvo pasėti su vištos embriono ikikardinėmis ląstelėmis, o jų kardiogeninė diferenciacija buvo tiriama kaip laiko funkcija. Norint atidžiai imituoti būklę, atsirandančią širdies morfogenezės metu, standinantis hidrogelio elgesys buvo sureguliuotas keičiant kryžminio jungiklio molekulinę masę. Į šiuos hidrogelius pasėtos ląstelės išreiškė žymiai didesnį širdžiai būdingų žymenų kiekį, palyginti su kontroliniais geliais, kurių standumas yra pastovus. Be to, buvo nustatyta, kad raumenys yra labiau subrendę ant standesnių hidrogelių.

Nors sintetinių medžiagų (pvz., PEG, PHEMA ir PNIPAAM) hidrogeliai parodė tinkamas mechanines savybes, natūralių ECM molekulių panaudojimas jų sintezėje gali sukelti biomimetinių konstrukcijų susidarymą širdies regeneracijai. Pavyzdžiui, Matrigel yra hidrogelis, kuris buvo išskirtas iš pelių Engelbreth-Holm-Swarm navikų. Anksčiau „Matrigel“ buvo naudojamas kaip pastolis žmogaus mezenchiminėms stromos ląstelėms įnešti į pelės MI modelį, kuris, kaip įrodyta, pagerina ląstelių gyvybingumą. Kitame pranešime naujagimių kardiomiocitai buvo suspenduoti Matrigelyje ir pasėti kolageno putose. In vitro konstrukcijos, naudojant impulsinę elektrinę stimuliaciją, tapo funkciniais širdies raumens audiniais. Panašiai, Matrigel ir kolagenas buvo sumaišyti santykiu 1: 1 ir buvo naudojami kapsuliuoti žiurkės skeleto raumenų ląsteles ir implantuojami žiurkės MI modelyje, siekiant pagerinti širdies funkciją. 38

Fibrinas yra dar vienas natūralus gelis, plačiai naudojamas širdies ląstelių kapsuliacijai. Viename pavyzdyje naujagimių žiurkių kardiomiocitai buvo kapsuliuoti fibrino hidrogeluose, kad būtų ištirta ląstelių sulyginimo įtaka biomimetinių audinių funkcijai. Gelio susitraukimas įvyko dėl ląstelių, esančių hidrogelio konstrukcijose. Fibrininio gelio irimas leido kapsuluotiems kardiomiocitams uždėti savo ECM, pertvarkyti ir suformuoti sulygius pluoštus. Rezultatai parodė, kad ląstelių suderinimas padidino trūkčiojimo jėgą elektrinei stimuliacijai dėl padidėjusio tarpų jungčių susidarymo. 39 Panašiai buvo parodyta, kad suderinti kardiomiocitai 3D fibrino hidrogeliuose išlaiko sinchroninį plakimo elgesį net ir po 2 mėnesių auginimo in vitro . 40 Bendrai šie tyrimai parodė, kad kardiomiocitų suderinimas turi didelę įtaką jų funkcijai. Kito tyrimo metu buvo nustatyta, kad pirminiai kardiomiocitai, kurie buvo persodinti suaugusioms žiurkėms per fibrino gelį, po 3 savaičių suteikia funkcinį, kraujagysles padidinantį ir sutraukiantį audinį. 32

Deceliuliarizuoti širdies audiniai taip pat sulaukė nemažo dėmesio širdies regeneracijai. Vieno tyrimo metu kiaulių miokardo ECM buvo naudojamas hidrogelių sintezei. ECM medžiaga buvo išskirta perdirbant kiaulės širdies raumenį, kuriam atlikta depiliarizacija. Apibūdinus ECM hidrogelių struktūrą ir sudėtį, buvo tiriamas jų potencialas skatinti kraujagyslių išsiskyrimą naudojant endotelio ląsteles (EC) ir lygiųjų raumenų ląsteles. Be to, ECM hidrogeliai palaikė aukštą kardiomiocitų gyvybingumą. Deceliuliarizuoti ECM pagrįsti hidrogeliai turi didelį potencialą in vivo tyrimams, ypač atliekant ląstelėmis pakrautų gelių įnešimą į miokardą švirkštu ar kateteriu.

Kylantys širdies audinių hidrogelai

Tradiciniai hidrogeliai buvo dažniausiai naudojami širdies audinių inžinerijai; tačiau dėl dabartinių iššūkių reikia didžiulės naujos kartos hidrogelių sintezės poreikio. Šiame skyriuje aptarsime kylančius hidrogelius, turinčius elastomerines, laidžias ir deguonį išskiriančias savybes, kurios gali būti naudojamos skatinti funkcinių širdies audinių formavimąsi.

Elastomeriniai hidrogeliai

Širdies audinys inžinieriams yra ypač sudėtingas dėl jo nuolatinio mechaninių deformacijų. Širdies audinių inžinerijai idealus hidrogelis turėtų toleruoti ciklinės apkrovos jėgas, kad gautas konstruktas tinkamai veiktų. Tačiau dauguma esamų hidrogelių nėra labai elastingi. Dėl elastingo širdies audinio pobūdžio kieti ir tampri hidrogelai yra perspektyvi medžiaga, kurianti biomimetines konstrukcijas, panašias į jų vietinius kolegas. Anksčiau poliakrilamido-alginato hidrogelio mišinių gamybai buvo naudojami tiek kovalentinio, tiek joninio kryžminio sujungimo principai, naudojant skirtingus abiejų komponentų santykius. 42 Gauti hidrogeliai buvo kieti ir ypač elastingi. Dėl biomimetinių mechaninių savybių tokie hidrogeliai turi didelę galimybę atkurti miokardą.

Visai neseniai buvo pranešta apie į reziliną panašius polipeptidus (RLP) turinčius hidrogelius širdies audinių inžinerijos tikslais. Hibridiniai hidrogeliai iš RLP ir PEG buvo pagaminti naudojant Michaelio tipo pridėjimo reakciją. Įvertinus hibridinių konstrukcijų mechanines savybes paaiškėjo, kad gauti geliai buvo labai atsparūs ir parodė grįžtamąsias elastines savybes. Be to, kapsuliuotos ląstelės pasklido po 7 dienų auginimo. RLP-PEG hibridiniai geliai yra ypač naudingi inžineriniams audiniams, kurie patiria nuolatinę apkrovos jėgą, pavyzdžiui, širdies raumeniui. Gautas gelis gali būti naudojamas kaip injekcinė biomedžiaga, siekiant ištaisyti miokardo disfunkciją.

Panašiai kitame tyrime buvo susintetinti labai elastingi metakrilinti tropoelastino (MeTro) hidrogeliai, naudojant širdies audinių inžinerijai rekombinantinį žmogaus tropoelastiną. Buvo sukurti 44 mikropatternai, skirti naujagimių kardiomiocitams sulyginti ant šių elastingų substratų. Buvo nustatyta, kad mikrodaleliai elastingi hidrogeliai skatino pirminių širdies ląstelių sulyginimą (2 pav.). Be to, modeliuotų gelių kardiomiocitų brendimas buvo žymiai pagerėjęs, palyginti su ląstelėmis, kurios buvo pasėtos ant plokščių substratų. Ši platforma gali būti naudojama širdies raumenims atsinaujinti. Pagerinus hidrogelių elastingumą ir elastingumą, būtų galima išspręsti mechaninio stabilumo klausimus, susijusius su dabartiniais audinių modeliais, ir sukurti funkcines biomimetines konstrukcijas.

Image

Širdies žymeklių ekspresija pirminiais žiurkių kardiomiocitais ant elastingų hidrogelių 8 dieną ir jų plakimo apibūdinimas. Imuninis dažymas ( a ) troponinui I (žalias) ir branduoliams (mėlynas) ir ( b ) sarkomeriniam α-aktininui (žaliai), junginiui-43 (raudonai) ir branduoliams (mėlynai) atskleidė, kad mikroelektrinimo procesas paskatino širdies ląstelių sulyginimą ir brendimą. . Imunizuojantis ( c ) troponinas I (žalias) ir branduoliai (mėlynas) ir ( d ) sarkomerinis α-aktininas (žalias), Connexin-43 (raudona) ir branduoliai (mėlyna) širdies ląstelėms, išaugintoms ant netampuotų gelių. ( e ) kardiomiocitų sumušimas ant nejudančių elastingų hidrogelių. f ) Kardiomiocitų elgesys su raštuotais hidrogeliais. g ) Spontaniškas kardiomiocitų plakimo greitis tiek nepatirpusiems, tiek raštuotiems hidrogeliams per dvi auginimo savaites. 44 Autorių teisės (2013 m.), Gavus John Wiley & Sons, Inc. leidimą

Visas dydis

Laidūs hidrogelai

Spontanišką širdies plakimo elgesį kontroliuoja širdies audinyje esantys elektros laidūs tinklai. 3 Jei ląstelės nėra tinkamai sujungtos, elektriniai signalai neplinta, todėl sumažėja širdies veikla. Todėl gali būti naudinga naudoti laidžius hidrogelius širdies ląstelių plakimo greičiui pagerinti. Vieno tyrimo metu chitozanas buvo modifikuotas anilino oligomerų, kad būtų galima sintetinti elektrai laidžius ir skaidomus hidrogelius. 45 Panašiai, mechaniškai stabilus laidus hidrogelis buvo gaunamas elektrolitiniu būdu nusodinant paratoluensulfonatą heparino-poli (vinilo alkoholio) tinkle. Hibridiniai laidūs hidrogeliai skatino ląstelių augimą, palyginti su kontroliniais mėginiais, kuriuose nebuvo elektrodeponuojančių paratoluensulfonatų. Kitas laidus polimeras, polipirolis, buvo įterptas į oligo (polietilenglikolio) fumarato hidrogelius. Parodytas, kad gautas sudėtinis hidrogelis yra fotolabai skaidrus ir biologiškai skaidus. Dėl savo laidumo inžinerinis kompozitas turi puikų potencialą pagerinti širdies ląstelių sutraukiamąjį aktyvumą.

Naujausioje ataskaitoje anglies nanovamzdeliai (CNT) buvo įterpti į želatinos pagrindu pagamintus hidrogelius, kad būtų hibridinės biomedžiagos su patobulintomis mechaninėmis savybėmis ir elektriniu laidumu. 48 Šiame darbe skirtingos koncentracijos CNT buvo įterpti į želatinos metakrilato (GelMA) hidrogelius. Rezultatai parodė suderinamas hibridinių hidrogelių mechanines savybes, kurios gali smarkiai pakeisti ląstelių elgseną įvairiose audinių inžinerijos srityse, įskaitant širdies regeneraciją. Tolesniame tyrime inžineriniai širdies pleistrai buvo gaminami sėjant naujagimių žiurkių kardiomiocitus ant CNT sustiprintos „GelMA“ hidrogelio plėvelės. 49 Labai poringos elektrai laidžios hibridinės konstrukcijos žymiai pagerino kardiomiocitų adheziją, sulyginimą, organizavimą ir brendimą. Be to, buvo pagerintos kardiomiocitų elektrofiziologinės funkcijos. Dėl šios sistemos buvo suformuotos vamzdinės ir plokštuminės 3D autonominės pavaros (3 pav.). Panašiai į GelMA hidrogelius buvo įterptas grafeno oksidas, kad būtų galima generuoti elektrai laidžius hidrogelius. Tokių biologiškai suderinamų laidžių hidrogelių sistemų plėtra yra gyvybiškai svarbi atliekant miokardo regeneracijos tyrimus.

Image

Savarankiškos hibridinės pavaros buvo pagamintos maišant CNT ir GelMA. a ) Pavarų plakimo kryptys kinta priklausomai nuo vamzdinių konstrukcijų storio. ( b ) plakimo konstrukcijų poslinkis buvo nubraižytas atsižvelgiant į laiką, kai elektrinis stimuliavimas atliekamas skirtingais dažniais. c ) Spontaniškas trikampio plaukiko poslinkis buvo parodytas kaip laiko funkcija. 49 Autorinės teisės (2013 m.), Gavus Amerikos chemijos draugijos leidimą.

Visas dydis

Širdies audinių inžinerijai taip pat buvo sukurti laidūs nanodailėmis sustiprinti pleistrai. Dėl šiuo metu turimų polimerų silpno laidumo, širdies pleistrai neveikia efektyviai. Norėdami įveikti šią kliūtį, alginato hidrogeliai buvo pakrauti laidžiais aukso nanodaisčiais. Elektriniai ryšiai tarp kaimyninių kardiomiocitų buvo žymiai pagerėję pridedant aukso nanovielių į alginato pleistrus. Elektrinė stimuliacija pagerino naujagimių žiurkių kardiomiocitų suderinimą su laidžiosiomis medžiagomis, sukeliančiomis sinchroninius susitraukimus. Širdies ląstelės, kurios buvo užaugintos ant nanodalelių pleistrų, taip pat parodė žymiai didesnę širdies baltymų ekspresiją. Tikimasi, kad tokios laidžios biomedžiagos padidins esamų širdies pleistrų terapinį efektyvumą.

Deguonį išskiriantys hidrogeliai

3D storų audinių vystymasis priklauso nuo to, ar nėra kraujagyslių. Ląstelės negauna pakankamai deguonies ir maistinių medžiagų, jei jos yra daugiau nei kelis šimtus mikrometrų nuo kraujagyslių. 51, 52, 53, 54, 55 Deguonį išskiriančios biomedžiagos gali būti naudojamos kaip alternatyva, norint suteikti ląstelėms pakankamai deguonies. 56, 57 Pavyzdžiui, į pastolius buvo įterpti fluorinti junginiai 58 arba peroksidai, kad būtų galima valdyti deguonį. 51, 59 Tokios 3D biomimetinės medžiagos gali būti pagamintos iš plonų polimerinių plėvelių, 60 elektropuntinio pluošto, 61 porėtų pastolių 62 ir hidrogelių pavidalo. 63, 64 Deguonį išskiriančios medžiagos yra ypač naudingos norint gauti pakankamą deguonies kiekį, ypač ankstyvosiose in vitro kultūrų ir in vivo implantų stadijose. 56, 65 Taigi, tokios sistemos gali būti naudingos pažeistų ar pažeistų širdies audinių regeneracijai. Nepaisant jų nuopelnų, šios medžiagos turi keletą apribojimų. Pavyzdžiui, ilgalaikis deguonies išsiskyrimas ilgą laiką yra iššūkis, o kai kurių šių sistemų šalutiniai produktai gali būti toksiški.

Įprastas deguonies generavimo reagentas yra vandenilio peroksidas. 66 Tačiau šis reagentas skatina greitą deguonies susidarymą, o tai nėra pageidautina naudojant ląsteles. Deguonis taip pat gali būti įneštas į biomedžiagas naudojant kietus peroksido junginius. 56 Pavyzdžiui, kietus reagentus, tokius kaip kalcio peroksidas, magnio peroksidas ar natrio perkarbonatas, į pastolius galima įterpti deguoniui generuoti. Kai šie kieti junginiai liečiasi su vandeniu, jie pradeda gaminti deguonį. Dėl galimo ląstelių pažeidimo pavojaus, kurį gali sukelti per didelis laisvųjų radikalų kiekis, reikėtų vengti deguonies išsiskyrimo. Deguonies išsiskyrimo kinetiką galima valdyti keičiant medžiagos, naudojamos kapsuliuoti kietus peroksidus, pH ar temperatūros hidrofobiškumą.

Deguonį išskiriantys hidrogeliai yra labai perspektyvi funkcinių biomedžiagų klasė širdies audinių inžinerijai. 56, 57 Norint išsklaidyti difuzijos apribojimus ir suformuoti kraujagyslių audinius, galima naudoti porėtus deguonį atpalaiduojančius hidrogelius. Pavyzdžiui, neseniai atliktame tyrime buvo tiriamos deguonį generuojančio termoreponuojančio hidrogelio galimybės pagerinti širdies kamieninių ląstelių gyvybingumą ir diferenciaciją link miokardo infarktų audinių regeneracijos. 64 Šiame darbe vandenilio peroksidas ir poli (2-vinilpiridionas) buvo įkapsuliuoti į poli (laktido-ko-glikolido) mikrodaleles. Tada deguonį atpalaiduojančios mikrodalelės buvo įtrauktos į termoreponuojamąjį hidrogelio pirmtaką, pagamintą iš hidroksietilmetakrilato-oligo (hidroksibutirrato), NIPAAm ir AAc. Hidrogelio standumas buvo sureguliuotas taip, kad būtų panašus į vietinio širdies raumens. Iš kardiosferos pagamintos ląstelės (CDC) buvo homogeniškai įkapsuliuotos į polimero pirmtaką ir 14 dienų augintos hipoksinėje aplinkoje (1% O2). Nustatyta, kad CDC gyvybingumas žymiai pagerėjo įdedant deguonį išskiriančias mikrodaleles. Be to, CDC diferenciacija į kardiomiocitus buvo pasiekta deguonį generuojančiame hidrogelyje hipoksinėmis sąlygomis. Tikimasi, kad šis požiūris pagerins funkcinių biomimetinių konstrukcijų, skirtų išeminiam širdies audiniui atstatyti po MI, generavimą ir padidins esamų ląstelių pristatymo platformų efektyvumą.

Inžinerinių hidrogelių pritaikymas širdies audinių inžinerijoje

Ankstesniuose skyriuose mes aptarėme pagrindinius iššūkius, susijusius su biomedžiagų savybėmis širdies audinių inžinerijoje, ir patikimiausias priemones, skirtas šioms problemoms spręsti. Tarp daug žadančių regeneracinių medžiagų hidrogelai sudaro galingą medžiagų klasę, skirtą plačiam biomedicinos pritaikymui, pavyzdžiui, mažų molekulių tiekimui, kamieninių ląstelių diferenciacijai ir audinių regeneracijai. Pirmasis žingsnis norint gauti biomimetinius hidrogelius yra sintetinti ir apibūdinti biomedžiagą, kuri liečiasi su ląstelėmis, naudojant medžiagų mokslo gamybos metodus. Šiam tikslui pasiekti nustatomos hidrogelių fizinės ir cheminės savybės (pavyzdžiui, vandens kiekis, patinimas, laidumas, elastingumas, tvirtumas, baltymų adsorbcija). Vėliau biologinės savybės įvertinamos tiriant ląstelių atsaką, įtraukus ląsteles į hidrogelį, naudojant audinių inžinerijos metodus.

Širdies audinių inžinerija siekiama suformuoti konstrukcijas, kurios galėtų iš arti imituoti vietinį širdies raumenį. Norint pasiekti šį tikslą, būtina tinkamai panaudoti fiziologiškai svarbias medžiagos savybes. Be to, norint gauti funkcinius širdies audinius, būtina naudoti tinkamiausią ląstelių šaltinį ir papildomas biomolekules. Tai turi didelę reikšmę širdies diferenciacijos ir vaskuliarizacijos procesams. Šiame kontekste inžineriniai hidrogeliai yra naujos medžiagos, nukreipiančios kamieninių ląstelių diferenciaciją ir augimo faktorių pateikimą, siekiant pagerinti ląstelių išgyvenamumą ir vaskuliarizacijos procesus. Kitame skyriuje apibendrinsime hidrogelių naudojimą funkciniams širdies audiniams generuoti.

Kamieninių ląstelių diferenciacijos nukreipimas į širdies liniją

Širdies audinių inžinerijos ląstelės turėtų atlikti atitinkamą funkciją, o paciento imuninė sistema jų neatmeta. Iki šiol širdies audiniuose buvo naudojami įvairūs šaltiniai. 6, 9 Pavyzdžiui, pirminiai kardiomiocitai, 3, 67 skeleto mioblastai, 3, 5, 8, 67, 68 endotelio progenitorinės ląstelės, 8, 67 iš amniono pagamintos kamieninės ląstelės, 69 hematopoetinės kamieninės ląstelės, 5 embrioninės kamieninės ląstelės (ESC)., 3, 5, 8, 9 iš riebalinio audinio pagamintos stromos ląstelės, 9, 67, 70 indukuotos pluripotentinės kamieninės ląstelės (iPSC), 3, 5, 8 širdies kamieninės ląstelės (CPC), 2, 5 suaugusiųjų širdies kamieninės ląstelės, 9, 71 kaulų čiulpų ląstelės, 8, 67 ir mezenchiminės kamieninės ląstelės (MSC) 3, 8, 9 buvo panaudotos bandant atstatyti pažeistą miokardą. Dėl ribotos galimybės naudotis pirminiais kardiomiocitais ir jų minimalių galimybių plėstis in vitro , buvo naudojami alternatyvūs ląstelių šaltiniai, kaip minėta aukščiau. Tarp šių ląstelių tipų įrodyta, kad kamieninės ląstelės yra daug žadančios kandidatės transplantacijai po MI atstatyti pažeistą raumenį ir pagerinti širdies veiklą. Visų pirma, MSC, PSC ir CPC parodė didelį širdies diferenciacijos potencialą.

MSC gali išsiskirti į kardiomiocitus tiek in vitro, tiek in vivo . Be to, MSC turi galimybę išskirti augimo faktorius, kurie gali skatinti vaskuliarizaciją. 72, 73 Širdies MSC diferenciacija nustatyta in vivo implantavus įvairių gyvūnų modelių širdis. 72, 73 Tačiau manoma, kad tik ribota MSC populiacija diferencijuojasi į kardiomiocitus po transplantacijos. In vitro MSC diferenciacija į širdies ląsteles buvo skatinama auginant jas kartu su širdies ląstelėmis 74, 75 arba naudojant biochemines medžiagas, tokias kaip 5-azacytidinas. 76, 77 Be to, visai neseniai buvo nustatyta, kad 3D ląstelių suderinimas galėtų reikšmingai skatinti MSC diferenciaciją į kardiomiocitus, nenaudojant cheminių reagentų ar auginant kartu su kitais ląstelių tipais. 78 Šiame darbe MSC buvo suderintos pagal 3D elastinių audinių konstrukcijų struktūrą. Širdies žymenų išraišką reikšmingai skatino suderinimas, parodantis širdies regeneracijos potencialą.

Panašiai PSC, įskaitant ESC ir iPSC, buvo diferencijuoti į kardiomiocitus. 79, 80, 81 Neseniai tiek 2D, tiek 3D širdies pleistrai buvo gaminami diferencijuojant žmogaus ESC į kardiomiocitus fibrino pagrindu sudarytose matricose. 79 Po 2 auginimo savaičių labai funkcionalūs širdies audiniai buvo suformuoti sulyginant ESC mikrofabrikuotose hidrogelio matricose, turinčiose pakopines elipsės poras (4 paveikslas). Širdies žymenų imuninis dažymas parodė troponino T, sarkomerinio α-aktinino, Connexin-43 ir miozino sunkiosios grandinės ekspresiją tiek 2D, tiek 3D geluose. Tačiau 3D pleistrai sudarė ilgesnius sarkomerus, palyginti su jų monosluoksnių analogais. Be to, širdies genų, atsakingų už kardiomiocitų sutraukiamąjį aktyvumą, raiška buvo žymiai padidinta 3D pleistrais, palyginti su 2D, parodant 3D aplinkos tinkamumą ESC diferenciacijai į kardiomiogeninę liniją.

Image

Funkciniai širdies pleistrai buvo pagaminti naudojant žmogaus iš ESC gautus kardiomiocitus. a ) Reprezentatyvus vaizdas iš širdies pleistro po 2 savaičių in vitro kultūros. b ) Mikroapdoroti geliai turėjo elipsės formos poras. c ) suderinti žmogaus ESC hidrogeliuose. Įvairių širdies žymenų, įskaitant ( d ) troponiną T (raudonas), ( e ) miozino sunkiąją grandinę (raudona), f ) jungin-43 (raudona) ir sarkomerinį α-aktininą (žalioji), imunologinis dažymas ESC išvestų kardiomiocitų viduje 3D geliai po 2 savaičių in vitro kultūros. ( g ) Sarkomerinio α-aktinino (žalio) imuninis dažymas 2D geluose, parodantis sumažintą sarkomero ilgį 2D, palyginti su 3D konstruktais. 79 Autorių teisės (2013 m.), Gavus „Elsevier“ leidimą.

Visas dydis

Įrodyta, kad PSC diferenciacija į širdies ląsteles skatinama naudojant elektrinę arba mechaninę stimuliaciją in vitro kultūros metu. Pavyzdžiui, buvo nustatyta, kad žmogaus ESC širdies diferenciacija buvo skatinama naudojant elektrinę stimuliaciją, naudojant bioreaktorių. 82 Kitame tyrime buvo įrodyta, kad vienaašis mechaninis krūvis paskatino kardiomiocitų diferenciaciją žmogaus ESC 3D kolageno hidrogeliuose. 83 Buvo nustatyta, kad mechaninės stimuliacijos dėka padidėjo kardiomiocitų sulyginimas, hipertrofija, proliferacija, taip pat sarkomerinių juostų formavimasis. Siekiant dar labiau pagerinti inžinerinio širdies audinio konstrukto funkciją, EC ir stromos ląstelės buvo kultivuojamos kartu su ESC gautais kardiomiocitais, kad susidarytų audinio konstruktas, turintis labai vaskuliarizuotus tinklus. Be to, buvo parodyta, kad kultivavimas skatina kardiomiocitų dauginimąsi ir palengvina kraujagyslių susidarymą 3D konstrukcijose. Taip pat buvo parodyta, kad inžineriniai širdies audiniai po transplantacijos integruojasi su miokardo šeimininku.

Taip pat buvo pranešta, kad natūralus širdies EKM gali sukelti žmogaus ESC diferenciaciją į kardiomiocitus, nenaudojant išorinių augimo faktorių. 80 Žmogaus iš ESC išgaunami kardiomiocitai buvo kapsuliuoti hibridiniuose hidrogeliuose, sudarytuose iš kiaulės širdies ir I tipo kolageno širdies suskaidyto ECM. Nustatyta, kad ESC, išreiškiančio troponiną T, populiacija padidėjo, kai buvo naudojamas hidrogelis su didesne ECM koncentracija. Be to, didelis ECM turintis hidrogelis skatino širdies ląstelių funkciją ir sutraukiamąjį aktyvumą. Tai rodo didesnė troponino I ir junginio-43 ekspresija, palyginti su žemos koncentracijos ECM geliais arba gryno kolageno geliais. 80 Panašiai buvo sukurtas funkcinis žmogaus širdies audinys, naudojant fibrininiame gelyje iš žmogaus ESC gautus kardiomiocitus. Hidrogelio matricoje buvo suformuoti 84 gerai organizuoti ir orientuoti sarkomerų tinklai. In addition, the cells exhibited spontaneous contractions from 5 to 10 days after seeding up to 8 weeks of culture. 84 In another study, photocrosslinkable PEGylated-fibrinogen was used to transplant human ESC-derived cardiomyocytes. 81 Cell-loaded gels were delivered into the hearts of rats using a MI model. The post-MI ventricular performance significantly improved 30 days after delivery, demonstrating the capability of the hydrogel to act as a cardiomyocyte carrier without inducing unfavorable cardiac remodeling.

In addition to ESCs, recently iPSCs have been used as a promising cell source for in vitro cardiomyocyte differentiation studies. These cells were established by transduction of specific transcription factors (for example, Oct3/4, Lin28, Nanog, SOX2, Klf4, c-Myc) into mouse 85 or human 86, 87 fibroblasts. In a recent study, artificial cardiac tissues were engineered by differentiating human ESCs and iPSCs into cardiomyocytes using collagen type I and Matrigel. 88 It was shown that the function and contractile properties of engineered cardiac tissues could be significantly improved by the addition of ascorbic acid and application of cyclic stretching. Differentiation of cardiomyocytes from iPSCs can provide an autologous cell source for cardiac tissue engineering applications. In addition, iPSCs have shown great potential for investigating the mechanism of diseases and drug screening applications. However, some of the limitations associated with iPSC technology for clinical applications include possible formation of tumors in vivo and limited efficiency of their generation. 89

CPCs that express stem cell factor protein receptor (c-Kit+) and stem cell antigen 1 (Sca-1) possess the ability to differentiate into cardiomyocytes, smooth muscle cells and ECs. It has been shown that c-Kit+ CPCs regulate cardiomyogenesis during in utero development 90 and can differentiate into cardiomyocytes during cardiac hypertrophy. 91 c-Kit+ CPCs can be isolated from patients with various congenital heart defects, expanded in culture and differentiated towards the cardiomyogenic lineage. 92 Recently, it was reported that c-Kit+ stem cells promoted the formation of myocardium containing a network of blood vessels 20 days after injection into the infarction site of adult rats. 93 Similarly, intravascular delivery of c-Kit+ stem cells through the coronary arteries of rats has been shown to promote myocardial regeneration and reduce infarct size in a less invasive manner compared with surgical procedures. 94 Other studies have also shown in vivo differentiation of c-Kit+ stem cells to smooth muscle cells and ECs was promoted by in vitro activation of cardiac cells with insulin-like growth factor (IGF) and hepatocyte growth factor. 95 This resulted in the formation of capillaries, which were integrated with the host vasculature upon implantation. In addition, Sca-1 expressing stem cells isolated from the heart may have the capability to differentiate into cardiac cells after treatment with 5-azacytidine in vitro . However, their differentiation into cardiac cells occurred with fusion to host cells in some cases when they were intravenously delivered into an infarct site in myocardium. 96 Despite significant success in using CPCs for cardiac tissue engineering, there are still challenges for clinical applications of CPC-derived cardiomyocytes, including their low differentiation efficiency and poor maturation behavior. As an alternative approach, combining CPCs with 2D and 3D hydrogel networks could improve their differentiation into cardiomyocytes. It is anticipated that the incorporation of CPC and EC co-cultures within hydrogel networks will potentially open a new avenue toward engineering 3D vascularized cardiac tissues.

Although stem cell therapies have enormous potential in regenerative medicine, there are still challenges associated with their use as a reliable cell source for cardiac tissue engineering applications. 67 The ideal cell source for cardiac differentiation should be easily harvested, maintained in culture, proliferate, be compatible with the host immune system. It should also possess strong potential to differentiate into functional cardiomyocytes with proper function and contractile activity. The development of reliable and efficient methods of differentiation and maturation of patient-derived stem cells to cardiomyocytes, and their subsequent integration into hydrogel materials, can lead to significant progress in the development of stem-cell based therapies for the repair of myocardium.

Growth factor delivery for cardiac tissue engineering

To enhance the efficiency of current tissue engineering models, it may be of benefit to incorporate growth factors and small cytoprotective molecules into cell-laden hydrogels for cardiac regeneration. As tissue healing takes weeks to months, the ability to provide sustained and controlled delivery of small molecules is a crucial step forward for the development of clinically successful regenerative therapies.

Because of the very low survival and engraftment rates associated with cell delivery into the myocardium, small molecules have been used to enhance cellular viability and integration. 9 Therapeutic potential of cells can be augmented by pre-treating them with growth factors or cytokines to increase their attachment, survival, migration and differentiation capacity. 9 For example, interleukin-8/Gro-a, stromal derived factor-1, vascular endothelial growth factor (VEGF), IGF-1, hepatocyte growth factor, fibroblast growth factor (FGF), integrin-linked kinase, Akt and glycogen synthase kinase have been extensively used to enhance viability and engraftment potential of delivered cells for cardiac therapy. 9 The long-term goal is to differentiate the delivered stem cells into functional cardiomyocytes for regeneration of the damaged tissue. To enhance the differentiation of stem cells, cytokines and growth factors such as IGF-1, FGF, Wnt-5a, Wnt11, bone morphogenetic proteins 2 and 4, transforming growth factor-beta1 have previously been utilized. 9

Hydrogels have been modified with small molecules for their sustained release over extended periods. 97 Because of their delicate structures, protein-based materials may be challenging to chemically incorporate into hydrogels. In one study, cellulose polymers were covalently modified with a bioactive protein with a tunable rate of release. 98 The therapeutic fusion protein SH3-rhFGF2 was produced in Escherichia coli and then attached to thiolated methyl cellulose via Michael-type addition reaction. The peptide-modified methyl cellulose was then mixed with hyaluronan to form hydrogels. The release of the fusion protein was characterized up to 10 days in vitro . This can be an attractive strategy in cardiac tissue engineering for localized delivery of cytoprotective growth factors. In other studies, IGF and VEGF delivery was shown to prevent cellular damage by apoptosis or necrosis. 97, 99

In addition to cell survival, small molecule/growth factor delivery can also be utilized to promote vascularization processes and improve functionality of tissue constructs. 51, 55, 100, 101 For example, in one study angiopoietin-1 and VEGF were incorporated into hyaluronan gels with and without heparin. 102 The growth factors were retained within the gels due to their affinity to heparin. Formation of microvessels was found to be more pronounced in heparin-containing conditions in a mouse model. Similarly, sustained delivery of recombinant human VEGF was carried out within injectable alginate-based hydrogels. 103 New functional blood vessels were formed, and an improvement in the angiogenesis behavior was observed. This method is applicable for other growth factors and cell types and can be used for the generation of vascularized cardiac tissues in future.

Recently, basic FGF was incorporated in gelatin-based hydrogels and implanted in a pig model of chronic MI. 104 Engraftment and differentiation of human CDCs in ischemic cardiac muscle were significantly improved by the controlled delivery of basic FGF from the hydrogel. Furthermore, perfusion and contractile properties of the pig myocardium were significantly enhanced due to the formation of microvascular networks (Figure 5). The results of this study are critical in the development of therapeutic approaches for human clinical trials to treat cardiac failure.

Image

The influence of controlled release of bFGF from a gelatin-based hydrogel on restoring the cardiac function in a porcine model of myocardial infarction. ( a ) Immunostaining for alpha-SMA was used to compare the arterial density for control and bFGF included conditions. ( b ) bFGF that was delivered from a hydrogel gelatin patch enhanced the formation of arterial vessels. ( c ) Myocardial perfusion was significantly increased at 4 weeks when bFGF was used. ( d ) Left ventricular ejection fraction (LVEF) was significantly improved by bFGF at 4 weeks. 104 Copyright (2008) with permission from the American College of Cardiology Foundation.

Visas dydis

In addition to the release of a single growth factor over time, sequential delivery of growth factors is an alternative way to enhance myocardial repair. The feasibility of this approach was demonstrated through dual delivery of HGF and IGF-1 loaded in an injectable alginate gel in a rat model of acute MI. 105 The scar fibrosis and infarct expansion were decreased, whereas formation of blood vessels and angiogenesis were increased in 4 weeks. As a result, restoration of myocardial tissue and cardiac function was promoted.

Conclusions and future outlook

Cardiovascular disease is the leading cause of death globally. Because of the lack of organ donors, alternative approaches are essential for restoring the cardiac function after a heart attack. One strategy is to utilize tissue engineering platforms for generation of artificial constructs. The ability to fabricate properly functioning tissue replacement is dependent on the availability of biomimetic materials with highly tunable features.

Hydrogels are a potentially powerful class of biomaterials for cardiac tissue engineering. Hydrogel platforms have been widely utilized for controlling and directing cellular behavior. Functional hydrogels with responsive properties will be a key step toward engineering the heart and forming cardiac tissue substitutes in the future. For example, hydrogels that have the ability to mimic the mechanical properties of heart muscle may enable the generation of functional constructs for myocardial regeneration. The cardiac environment is highly dynamic, thus elastic materials are anticipated to better match the compliance of the tissue. In addition, elastomeric biomaterials can provide the flexibility and capacity for sustained cycles of expansion and contraction. Thus, tough and stretchable hydrogels may be beneficial for cardiac regeneration. Also, due to the electrophysiology of the native heart, conductive materials offer unique opportunities to enable the propagation of electrical signals during cardiac cell beating. Therefore, there is a growing demand for the synthesis of hydrogels that can enhance electrophysiological properties of cardiac cells within engineered constructs. To achieve this goal, hybrid hydrogels will be fabricated by incorporating conductive components into the scaffolds. In addition to elastomeric and conductive hydrogels, oxygen-releasing hydrogels are expected to make a significant impact toward the generation of biomimetic cardiac constructs. To form 3D tissues of clinically relevant sizes, it is essential to supply sufficient oxygen over an extended period of time in a sustained and controlled fashion. Consequently, porous oxygen-releasing hydrogels will help in tackling diffusion limitations and forming vascularized tissue mimetics.

In the future, it may be of great benefit to engineer biomaterials that have combined properties of elasticity and conductivity. For instance, conductive elastomers are highly promising next-generation materials for cardiac tissue engineering. Another direction for the future is merging microfabrication techniques with biomaterial design to engineer highly vascularized cardiac constructs with controlled architectures. The design of advanced bioreactors, which can be used to apply electrical and mechanical stimulation simultaneously on the engineered cardiac tissues, can be another useful research avenue. It is expected that functional hybrid hydrogels will enable us to mend the myocardium after injuries.

Other crucial elements to mimic the native cardiac tissue include incorporation of renewable cell sources and small biomolecules. In this context, it will be of great importance to utilize stem cells and growth factors in combination with micropatterning techniques to promote cardiogenic differentiation and vascularization events. We anticipate that pre-vascularized off-the-shelf cardiac tissues will meet the current needs of regenerative engineering and offer new opportunities for generation of novel tissue substitutes.

It is expected that hydrogel-based platforms with improved properties such as electrical conductivity, elasticity, vasculogenic potential, and oxygen supplementation will control and direct cellular behavior, resulting in the formation of functional cardiac tissues.