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.2012年9月；11(9):768-74.
doi:10.1038/nmat3357。 Epub 2012年7月1日。

可灌注工程化三维组织图形化血管网络的快速铸造

乔丹·S·米勒 1, 凯利·史蒂文斯, 迈克尔·T·杨, 布伦登·M·贝克, 杜赫·T·阮, 丹尼尔·科恩, 埃斯特班·托罗, 爱丽丝·A·陈, 彼得·A·加利, 项羽, 丽蒂卡·查图尔维迪, Sangeeta N Bhatia公司, 克里斯托弗·S·陈
附属公司

可灌注工程化三维组织图形化血管网络的快速铸造

乔丹·S·米勒等。 自然材质. 2012年9月.

摘要

在缺乏可灌注血管网络的情况下，细胞密集的三维工程组织迅速形成坏死核心。然而，缺乏快速构建此类网络的通用方法仍是3D组织培养面临的主要挑战。在这里，我们打印了碳水化合物玻璃的刚性3D纤维网络，并将其用作含有活细胞的工程组织中的细胞相容性牺牲模板，以生成可内衬内皮细胞并在高压脉动流下灌注血液的圆柱形网络。由于这种简单的血管铸型方法允许独立控制网络几何形状、内皮化和血管外组织，因此它与多种细胞类型、合成和天然细胞外基质以及交联策略兼容。我们还证明，灌注的血管通道在工程组织构建物中维持了原代大鼠肝细胞的代谢功能，否则在其核心表现出抑制功能。

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数字

图1
图1
碳水化合物玻璃材料特性和灯丝结构形成。(一)单轴压缩试验的应力-应变曲线表明，碳水化合物玻璃在25°C下是一种硬脆材料，杨氏模量=1 GPa（在线性状态下测量），最大强度为28 MPa，最大应变为3.25%。(b条)1 cm碳水化合物玻璃样品的光学消光表明，该材料可以传输生物相容性成像和光聚合过程中常用的波长（365–550 nm，阴影框）。(c（c）)在热挤压和3D打印过程中，长丝直径由挤压喷嘴的移动速度控制，并遵循玻璃纤维拉伸的简单幂律（等式插图）。(d日)多尺度碳水化合物玻璃格子（绿色）的建筑设计。(e（电子）)多尺度建筑设计的俯视图（d）3D打印在碳水化合物玻璃中（比例尺=1 mm）。界面熔融熔融被放大并显示在侧视图中（比例尺=200µm）。(（f）)多层晶格在几分钟内制成，具有精确的横向和轴向定位分辨率（比例尺=1 mm）。(克)一种多尺度结构，显示单个1 mm灯丝（顶部）连接到较小互连灯丝的成角阵列（比例尺=1 mm）。(小时)也可以制造串联y型接头和弯曲灯丝（比例尺=1 mm）。
图2
图2
包含有图案的血管结构和活细胞的整体组织结构。(一)示意图概述。一个开放的、相互连接的、自支撑的碳水化合物玻璃格子被3D打印出来，作为血管构筑物铸造的牺牲元素。晶格与活细胞一起封装在ECM中。晶格在细胞培养基中溶解几分钟，不会对附近的细胞造成损害。这个过程产生了一个整体组织结构，其血管结构与原始晶格相匹配。(b条)将单个碳水化合物玻璃纤维（顶部直径200µm）封装在纤维蛋白凝胶中。ECM交联后，将凝胶和长丝浸入水溶液中，溶解的碳水化合物从产生的通道（中间）流出。去除纤维丝会在纤维蛋白凝胶中形成开放的灌注通道（底部，标尺=500µm）。请参见补充电影1全日制课程。(c（c）)具有不同直径图案互连通道的纤维蛋白凝胶支持注入通道网络的荧光葡聚糖的对流和扩散传输（左上角，相位对比，标尺=500µm）。凝胶和通道的归一化荧光线图（蓝色箭头）显示了通道中的正弦曲线（在黑色虚线之间），具有圆柱体和从通道到散装凝胶的时间扩散特性。虚线框区域的放大显示了两个垂直通道之间的椭圆形血管间连接（右侧，比例尺=100µm）。(d日)将组成性表达EGFP的细胞包封（5e6/mL）在各种ECM材料中，然后用共聚焦显微镜成像，以观察基质（红色珠子）、细胞（10T1/2，绿色）和可灌注血管管腔（蓝色珠子），如图所示(右下角). 这些材料具有不同的交联机制（如上图所示），但都可以通过血管通道形成图案。比例尺=200µm。(e（电子）)培养两天后，将未标记的HUVEC（1e6/mL）和10T1/2（1e6mL）共培养物（不表达EGFP）的代表性横截面图像均匀封装在纤维蛋白凝胶（10 mg/mL）的间隙中，并在可灌流网络中，用荧光活/死分析染色（绿色，钙蛋白AM；红色，埃塞俄比亚同二聚体）。细胞存活并在开放的圆柱形通道附近扩散（用白色箭头突出显示）。比例尺=200µm。
图3
图3
演示了对血管化实体组织的三个关键隔间的控制，如图所示(一)由于“血管单位细胞”由血管腔、血管壁内衬的内皮细胞和含有基质和包膜细胞的间质区组成。(b条)花纹血管通道支持人体血液的正压和脉动流，血管间连接支持分支流体流动（左）。螺旋流型(正确的，0.4秒）是通过圆柱形通道的非层流的特征。请参见补充电影2和3，比例尺=1 mm，左侧；2 mm，右侧。(c（c）)通过将10T1/2细胞（1.5e6/mL，组成性表达EGFP）封装在纤维蛋白凝胶（10 mg/mL）的间隙中，然后接种HUVECs（组成性表达mCherry），证明了血管化组织构建物的间质区和衬里内皮的控制通过单腔注射贯穿整个血管网络（参见方法). 在培养一天后，共焦z堆叠蒙太奇显示HUVEC位于血管空间，10T1/2均匀分布在整个凝胶中。比例尺=1 mm(d日)两个交叉通道的部分z堆叠显示了通道壁和跨血管间连接处的内皮化，而在周围的大块凝胶中，10T1/2细胞开始在3D中扩散。请参见补充电影4对于完整的700µm z堆叠(d日). (e（电子）)在培养9天后，典型通道的横截面成像（光学厚度和z位置=10µm）表明，血管腔内的内皮单层被10T1/2细胞包围。比例尺=200µm。(（f）)内皮细胞从有图案的脉管系统中形成单细胞和多细胞芽（箭头），如从凝胶内部较深处的z堆栈（光学厚度=200µm）所示（z位置=300µm，左边). 更深入的成像（z位置=950µm，光学厚度=100µm，正确的)证实了血管腔在整个血管和血管间连接处保持开放，内皮细胞也从较大的血管（箭头）中发芽。请参见补充电影5对于完整的1 mm z堆叠(e、 （f）).
图4
图4
灌注通道维持厚而密集的组织结构核心的细胞代谢功能。(一)培养三天后，含有40e6 HEK细胞/mL的PEG水凝胶的代表性横截面图像蒙太奇。细胞内dsEGFP报告器在空间上表明细胞在凝胶板周长和灌注通道周围活跃，但在凝胶核心的其他地方不活跃。比例尺=2 mm(b条)对这些结构体分泌的高斯荧光素酶进行的功能酶分析表明，即使在高细胞密度下，通道结构也能保持细胞功能，而平板凝胶中的功能会迅速下降(c（c）)培养8天后，用荧光活/死分析（绿色，钙调素AM；红色，乙炔二聚体）对原代大鼠肝细胞（24e6肝细胞/mL）和琼脂糖凝胶中稳定基质成纤维细胞（平板与通道）进行染色。细胞在凝胶周边和灌注通道附近存活，在凝胶中存活的时间更长。比例尺=1毫米(d日)白蛋白分泌评估(顶部)和尿素合成(底部)经原代肝细胞（16e6/mL）凝胶培养8天后，与平板凝胶相比，通道凝胶的肝功能得到改善。误差条表示通道与平板凝胶比较的标准误差，p值：*<0.0051；<0.045.
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中的注释

  • 组织工程：可灌注的血管网。
    福盖克斯·G。 福盖克斯·G。 Nat Mater公司。2012年9月；11(9):746-7. doi:10.1038/nmat3412。 Nat Mater公司。2012 PMID：22918312 没有可用的摘要。

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