Контролируемая регенерация тканей с помощью трехмерных биопринтованных пространственно-временных моделей факторов роста.
Усиленная инфильтрация сосудов и ангиогенез за счет четкого градиента VEGF. (A) Схема 3D-печатных каркасов и экспериментальных групп. Конструктивная конструкция (диаметр 4 мм, высота 5 мм). Окрашенные H и E срезы трех экспериментальных групп на (B) 2 и (C) 4 неделях in vivo. Изображения были сделаны в 20 ×. Стрелки обозначают сосуды. (D) Общее количество сосудов экспериментальных групп через 2 и 4 недели in vivo. Количество сосудов, присутствующих в центре, по сравнению с периферией на (E) 2 и (F) 4 неделях in vivo. ** P <0,01. Планки ошибок обозначают SD (n=8 животных, n=5 срезов на животное). FBS, фетальная бычья сыворотка; ручка/стреп, пенициллин/стрептомицин. Предоставлено: Science Advances, DOI: 10.1126/sciadv.abb5093.

Группа исследователей в области биомедицинской инженерии, машиностроения и биомеханики из Ирландии, Нидерландов и США недавно разработала имплантаты с трехмерной биопечатью, оптимизированные с учетом факторов роста для облегчения ангиогенеза — роста кровеносных сосудов из существующей сосудистой сети — и остеогенеза — новой кости. рост. В thВ этой работе Фиона Э. Фриман и его коллеги функционализировали био-чернила с наночастицами для печати имплантатов с различными структурами факторов роста и отметили, как скорость роста кровеносных сосудов in vivo (ангиогенез) зависит от экспрессии фактора роста эндотелия сосудов (VEGF). . Они отметили более высокие уровни инвазии сосудов в имплантатах, содержащих градиент VEGF, по сравнению с имплантатами, гомогенно загруженными аналогичными количествами белка. Напечатанные имплантаты поддерживали градиент VEGF в сочетании с пространственно определенной локализацией костного морфогенетического белка (BMP) и кинетикой высвобождения для ускорения заживления крупных костных дефектов наряду с минимальным гетеротопным образованием кости, то есть аномальным ростом кости в некостной ткани. Эта работа имеет потенциал для биопечати факторов роста для лечебной терапии и в биомедицинских приложениях для строго контролируемой регенерации тканей.

Факторы роста для терапевтического применения

Исследователи протестировали ряд факторов роста в клинических испытаниях для различных терапевтических применений, включая регенерацию костей и образование новых кровеносных сосудов или неоваскуляризацию. Несмотря на обнадеживающие результаты, некоторые исходы во второй фазе испытаний не показали ожидаемой пользы для пациентов, а некоторые даже продемонстрировали заметные побочные эффекты. Факторы роста обычно экспрессируются во время различных фаз заживления перелома, включая фактор роста эндотелия сосудов (VEGF) и морфогенетический белок кости (BMP). Для достижения оптимальных результатов ученые разработали комбинированную терапию двух факторов роста (VEGF и BMP) для ускорения регенерации крупных костных дефектов. Во время заживления перелома уровни экспрессии BMP-2 обычно постоянно увеличиваются до 21 дня, тогда как пики экспрессии VEGF достигаются раньше. Поэтому они разработали системы доставки, которые поддерживали раннее высвобождение VEGF и замедленное высвобождение BMP-2. В этой работе Freeman et al. использовали методы биотехнологии с использованием нескольких инструментов для доставки VEGF и BMP-2 с различными профилями высвобождения для улучшения регенерации дефектов кости критического размера.

Контролируемая регенерация тканей с помощью трехмерных биопечати, определенных пространственно-временными моделями факторов роста.
Локально-временная доставка BMP-2 приводила к контролируемому формированию кости. (А) Схема экспериментальных групп. Конструктивная конструкция (диаметр 4 мм, высота 5 мм). αMEM, альфа минимально необходимая среда. (B) Деградация двух биочувствительных элементов. (C) Кумулятивное высвобождение BMP-2 из биочернилы с быстрым высвобождением по сравнению с биочленкой с медленным высвобождением. (D) 3D-реконструкции данных μCT для каждой группы через 8 недель. (E) μCT анализ общего минерального отложения каждой из групп через 8 недель in vivo. (F) μCT анализ места отложения минералов в каждой из групп через 8 недель in vivo. *** P <0,001; планки ошибок обозначают SD (n=8 животных). (G) Срезы обеих групп, окрашенные трихромом по Голднеру, через 8 недель in vivo. Изображения были сделаны в 20 ×. Белые стрелки обозначают развивающуюся костную ткань, а черные стрелки обозначают кровеносные сосуды. (H) Количественная оценка количества новых костных образований на общую площадь. Планки ошибок обозначают SD; ** P <0,01 (n=8 животных, n=6 срезов на животное). Предоставлено: Science Advances, DOI: 10.1126/sciadv.abb5093. Разработка биочувствительных элементов с четкими профилями высвобождения факторов роста для имплантации in vivo

Команда контролировала высвобождение морфогенов (факторов роста) из трехмерных печатных конструкций, которые они разработали с помощью биочувствительных элементов на основе альгината с различными наночастицами, встроенными для связывания регуляторных факторов. Они замедляли высвобождение BMP-2 в конструкциях для усиления образования кости in vivo в заранее определенных местах имплантата для ускоренного заживления кости при минимизации образования эктопической кости. Freeman et al. использовали наночастицы глины или наночастицы гидроксиапатита в биочувствительной матрице из альгинат-метилцеллюлозы для облегчения контролируемого высвобождения VEGF. Они показали, как конструкции сохраняли пространственные градиенты факторов роста в течение как минимум 14 дней в лаборатории после биопечати.

Напечатанные конструкции VEGF увеличивают ангиогенез in vivo, которые команда проверила, поместив конструкции в имплантаты поликапролактона (PCL) с трехмерной печатью для ускорения васкуляризации на мышиной модели. Через две недели после подкожной имплантации модели на животных они провели гистологический анализ, чтобы выявить наличие сосудов в группах с гомогенным и градиентным VEGF. В группе без VEGF не было очевидных сосудов. Между двумя и четырьмя неделями в группах градиента VEGF были значительно более высокие сосуды на периферии, Freeman et al. отметили, что рост сосудов в конструкциях стал зрелым и полным.

Контролируемая регенерация тканей с помощью трехмерных биопринтованных пространственно-временных моделей факторов роста.
Пространственно-временная доставка как VEGF, так и BMP-2 приводила к усилению ангиогенеза. (A) Схема экспериментальных групп, напечатанных на 3D-принтере, включая ключевые особенности разработанных биочувствительных элементов и процедуру сегментарного дефекта. Конструктивная конструкция (диаметр 4 мм, высота 5 мм). (B) μCT ангиографические репрезентативные изображения диаметра сосуда. Красные стрелки обозначают протекающие кровеносные сосуды, обозначенные пулами контрастного вещества. Количественная оценка (C) общего объема сосуда, (D) среднего диаметра сосуда и (E) связности для всех групп через 2 недели in vivo. * P <0,05 и ** P <0,01; планки ошибок обозначают SD (n=9 животных). (F) Иммуногистохимическое окрашивание ядер (синий), vWF (красный) и α – SMA (зеленый) экспериментальных групп через 2 недели после имплантации. Изображения были сделаны в 40 × и 63 ×. Желтыми стрелками обозначены сосуды с двойным окрашиванием α – SMA и vWF; белые стрелки обозначают несколько менее зрелые сосуды только с положительным окрашиванием vWF. Предоставлено: Science Advances, DOI: 10.1126/sciadv.abb5093. Доставка BMP-2 для локализации образования кости in vivo

Поскольку известно, что медленное и продолжительное высвобождение BMP-2 способствует оптимальной регенерации кости, команда провела исследования формирования костной ткани на мышиной модели с высвобождением фактора роста в определенные временные рамки. Чтобы заметно снизить высвобождение BMP-2 из биочернила, Freeman et al. добавляли лапонит (платформа для наномедицины) и контролировали его постоянное высвобождение от одной до четырех недель в лаборатории. Чтобы затем понять влияние на формирование костей (остеогенез) на модели животных, ученые сконструировали биочувствительные элементы для быстрого высвобождения BMP-2 (без лапонита) и медленного высвобождения BMP-2 (с лапонитом) и смешали биочувствительные элементы с мезенхимальными веществами, полученными из костного мозга. стволовые клетки (BMSC) и депонировали их в каркасах с трехмерной печатью. Затем они имплантировали эти каркасы подкожно в спину мышей и проследили процесс, высевая дополнительные мезенхимальные стволовые клетки, чтобы проверить рост кости в эктопическом месте. Количественные исследования показали медленное высвобождение BMP-2 для значительно большего образования новой кости на общую площадь конструкции. Работа также показала, что медленное высвобождение BMP-2 имеет значительно больший потенциал образования новой кости на общую площадь конструкции.

Контролируемая регенерация тканей с трехмерной биопечатью, пространственно-временными моделями факторов роста.
Временная доставка экзогенного BMP-2 вызывает раннее заживление кости за счет процесса эндохондральной оссификации. (A) Окрашенные гематоксилином и эозином (H&E) и сафранином O срезы всех групп через 2 недели in vivo. Изображения были сделаны в 20 ×. DB обозначает хрящ, подвергающийся эндохондральной оссификации, чтобы стать развивающейся костью, а B обозначает положительную новую костную ткань. Количественная оценка количества (B) образования кости и (C) развивающейся кости на общую площадь. Планки ошибок обозначают SD (n=9 животных). (D) μCT реконструированные изображения дефекта. Предоставлено: Science Advances, DOI: 10.1126/sciadv.abb5093.

Усиление ангиогенеза при больших дефектах кости

Freeman et al. затем продемонстрировали пространственно-временную доставку факторов роста (VEGF и BMP-2) для усиления ангиогенеза. Используя конструкции BMP-2 с отсроченным высвобождением, содержащие пространственные градиенты VEGF, они зарегистрировали усиленное образование кости и рост кровеносных сосудов в дефектах бедренной кости крыс критического размера. Спустя две недели после имплантации ангиограммы микрокомпьютерной томографии (микро-КТ) показали появление сосудистых сетей во всех экспериментальных группах, использованных в исследовании, наряду с примитивными незрелыми кровеносными сосудами с заметными различиями между различными экспериментальными конструкциями. Через две недели после операции они также отметили положительное окрашивание хряща и новой кости в группах градиента BMP-2 и смешанных экспериментальных группах. Когда они провели тесты микроКТ, чтобы понять формирование костной ткани, они отметили стабильные модели заживления. Сравнительные карты плотности костной ткани, полученные в течение 12 недель после имплантации, показали, что новые кости содержат корковидную кость, сопоставимую с соседней нативной костью. Чтобы исследовать гетеротопическое образование кости, ученые провели анализ объема кости в интересующей области на 12 неделе реконструкции, где кость преимущественно формировалась в кольце дефекта с небольшим образованием эктопической кости во всех экспериментальных группах. Дополнительное гистологическое окрашивание выявило преимущественное образование фиброзной ткани, костного мозга и хряща.




Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *