RU2764051C1 - Method for in vitro production of a personalized cell-populated vascular prosthesis - Google Patents
Method for in vitro production of a personalized cell-populated vascular prosthesis Download PDFInfo
- Publication number
- RU2764051C1 RU2764051C1 RU2021112402A RU2021112402A RU2764051C1 RU 2764051 C1 RU2764051 C1 RU 2764051C1 RU 2021112402 A RU2021112402 A RU 2021112402A RU 2021112402 A RU2021112402 A RU 2021112402A RU 2764051 C1 RU2764051 C1 RU 2764051C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cells
- vascular
- prosthesis
- populated
- fibrin
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
- A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
- A61F2/02—Prostheses implantable into the body
- A61F2/04—Hollow or tubular parts of organs, e.g. bladders, tracheae, bronchi or bile ducts
- A61F2/06—Blood vessels
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
- A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
- A61L27/14—Macromolecular materials
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
- A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
- A61L27/28—Materials for coating prostheses
- A61L27/34—Macromolecular materials
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
- C12N5/00—Undifferentiated human, animal or plant cells, e.g. cell lines; Tissues; Cultivation or maintenance thereof; Culture media therefor
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- Public Health (AREA)
- Transplantation (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- Epidemiology (AREA)
- Zoology (AREA)
- Biotechnology (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Dermatology (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Wood Science & Technology (AREA)
- Genetics & Genomics (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Cell Biology (AREA)
- Microbiology (AREA)
- Gastroenterology & Hepatology (AREA)
- Pulmonology (AREA)
- Cardiology (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Vascular Medicine (AREA)
- Materials For Medical Uses (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к медицине, а именно к технологии создания персонифицированного сосудистого протеза малого диаметра, и может быть использовано в сосудистой хирургии для замены поврежденных кровеносных сосудов и для проведения шунтирующих операций.SUBSTANCE: invention relates to medicine, namely to a technology for creating a personalized small-diameter vascular prosthesis, and can be used in vascular surgery to replace damaged blood vessels and to perform shunt operations.
Сердечно-сосудистые заболевания, включая ишемическую болезнь сердца, цереброваскулярные заболевания и заболевания периферических артерий, являются основными причинами смерти во всем мире. Несмотря на широкое использование интервенционных методов лечения, сосудистое шунтирование остается наиболее часто используемой стратегией для эффективного лечения сердечно-сосудистых заболеваний и обеспечения долгосрочной проходимости кровеносных сосудов. Для проведения данных операций предпочтительно использование аутотрансплантатов, таких как внутренняя грудная артерия и большая подкожная вена бедра. Данные сосуды демонстрируют отличную проходимость после имплантации, однако не всегда доступны в необходимом качестве у разных пациентов. Синтетические сосудистые протезы из политетрафторэтилена, полиэтилентерефталата и полиуретана успешно применяются для протезирования сосудов большого диаметра (>6 мм). При этом синтетические сосудистые протезы с внутренним диаметром менее 4 мм в клинической практике не используются из-за опасности тромбообразования и гиперплазии неоинтимы, приводящих к окклюзии имплантата. Поэтому разработка новых эффективных сосудистых протезов или искусственных кровеносных сосудов имеет большую важность для сердечно-сосудистой хирургии.Cardiovascular diseases, including ischemic heart disease, cerebrovascular disease and peripheral arterial disease, are the leading causes of death worldwide. Despite the widespread use of interventional therapies, vascular bypass remains the most commonly used strategy to effectively treat cardiovascular disease and ensure long-term patency of blood vessels. For these operations, it is preferable to use autografts, such as the internal thoracic artery and the great saphenous vein of the thigh. These vessels demonstrate excellent patency after implantation, but are not always available in the required quality in different patients. Synthetic vascular prostheses made of polytetrafluoroethylene, polyethylene terephthalate and polyurethane are successfully used for prosthetics of large diameter vessels (>6 mm). At the same time, synthetic vascular prostheses with an internal diameter of less than 4 mm are not used in clinical practice due to the risk of thrombus formation and neointima hyperplasia, leading to implant occlusion. Therefore, the development of new effective vascular prostheses or artificial blood vessels is of great importance for cardiovascular surgery.
На сегодняшний день тканевая инженерия предлагает альтернативные подходы для восстановления поврежденных тканей. Стратегии сосудистой тканевой инженерии основаны на использовании двух ключевых компонентов: искусственного межклеточного матрикса (скаффолда) и клеток. Идеальный скаффолд создает как механическую поддержку, так и микросреду, благоприятную для заселения клетками. Выбор материала и способ изготовления скаффолда непосредственно влияют на временную механическую поддержку и микроокружение, которые он обеспечивает клеткам, пока они не синтезируют свой собственный внеклеточный матрикс. Использование синтетических материалов (биоразлагаемых полиэфиров, полисложноэфирных амидов, полиуретанов) позволяет в большей степени управлять механическими свойствами скаффолда и задавать необходимые параметры. В свою очередь, лучшее микроокружение для клеток, создающее сигналы для миграции, пролиферации и дифференцировки, формируется при использовании материалов биологического происхождения (коллагена, эластина, желатина), так как они имеют потенциальные сайты связывания для клеточных рецепторов. Однако данные материалы обладают недостаточной прочностью и в некоторых случаях (аллогенное и ксеногенное происхождение материалов) могут вызывать иммунную реакцию организма после имплантации.Today, tissue engineering offers alternative approaches for repairing damaged tissues. Vascular tissue engineering strategies are based on the use of two key components: an artificial extracellular matrix (scaffold) and cells. The ideal scaffold creates both mechanical support and a microenvironment favorable for cell colonization. The choice of material and method of scaffold fabrication directly affect the temporary mechanical support and microenvironment it provides to cells until they synthesize their own extracellular matrix. The use of synthetic materials (biodegradable polyesters, polyester amides, polyurethanes) allows you to control the mechanical properties of the scaffold to a greater extent and set the necessary parameters. In turn, the best microenvironment for cells, which creates signals for migration, proliferation, and differentiation, is formed using materials of biological origin (collagen, elastin, gelatin), since they have potential binding sites for cell receptors. However, these materials have insufficient strength and in some cases (allogeneic and xenogenic origin of materials) can cause an immune response of the body after implantation.
Заселение скаффолдов клетками может осуществляться как в организме пациента, при имплантации бесклеточного трубчатого скаффолда в место реконструкции кровеносного сосуда, так и in vitro в биореакторе при использовании аутологичных (собственные) или аллогенных (от донора) эндотелиальных и/или гладкомышечных клеток. Основной проблемой бесклеточных сосудистых скаффолдов является недостаточная тромборезистентность их внутренней поверхности, что не может обеспечить 100% проходимости данных протезов после имплантации. В свою очередь, предварительное заселение внутренней поверхности тканеинженерных скаффолдов эндотелиальными клетками препятствует их тромбированию после контакта с кровью. Основной проблемой на данном этапе является выбор источника эндотелиальных клеток. На сегодняшний день показана возможность использования зрелых, прогениторных и стволовых клеток, а также индуцированных плюрипотентных клеток. Стволовые и индуцированные плюрипотентные клетки, хотя и являются очень перспективными источниками, их клиническое применение в настоящее время ограничено несовершенством технологии получения и этическими вопросами. В свою очередь, зрелые эндотелиальные клетки характеризуются относительно низкой пролиферацией. Таким образом, сложность разработки тканеинженерных сосудистых протезов заключается в выборе материалов для создания скаффолда с оптимальными механическими свойствами и высокой био- и гемосовместимостью, а также источника эндотелиальных клеток, который позволит получать аутологичные клетки в количестве, необходимом для эндотелизации сосудистого имплантата.Scaffolds can be populated with cells both in the patient's body, when a cell-free tubular scaffold is implanted at the site of blood vessel reconstruction, and in vitro in a bioreactor using autologous (own) or allogeneic (from a donor) endothelial and/or smooth muscle cells. The main problem of cell-free vascular scaffolds is the insufficient thromboresistance of their inner surface, which cannot ensure 100% patency of these prostheses after implantation. In turn, pre-population of the inner surface of tissue engineering scaffolds with endothelial cells prevents their thrombosis after contact with blood. The main problem at this stage is the choice of the source of endothelial cells. To date, the possibility of using mature, progenitor and stem cells, as well as induced pluripotent cells has been shown. Stem and induced pluripotent cells, although they are very promising sources, their clinical use is currently limited by the imperfection of the production technology and ethical issues. In turn, mature endothelial cells are characterized by relatively low proliferation. Thus, the complexity of the development of tissue-engineered vascular prostheses lies in the choice of materials for creating a scaffold with optimal mechanical properties and high bio- and hemocompatibility, as well as a source of endothelial cells that will allow obtaining autologous cells in the amount necessary for endothelialization of a vascular implant.
Данная проблема может быть решена комбинированием синтетических и биологических материалов при изготовлении скаффолда, а также его заселением аутологичными клетками, обладающими высокой степенью пролиферации. Такой подход позволит создать персонифицированный сосудистый протез с оптимальными механическими свойствами и тромборезистентной внутренней поверхностью.This problem can be solved by combining synthetic and biological materials in the manufacture of the scaffold, as well as by populating it with autologous cells with a high degree of proliferation. This approach will make it possible to create a personalized vascular prosthesis with optimal mechanical properties and a thromboresistant inner surface.
Известен способ изготовления многослойного тканеинженерного сосудистого протеза, внутренней слой которого сформирован зрелыми эндотелиальными клетками, средний слой - зрелыми гладкомышечными клетками и внешний слой - зрелыми фибробластами (GB 2489081 A: Int С1. C12N 5/071; A61F 2/00; A61L 27/38; A61L 27/50. Multilayered vascular tubes. Organovo Inc (US); Inventors: Khatiwala C.B. (US), Murphy K. (US); appl. no. 1203622.4; filed 26.05.2010; pub. date 26.05.2010). В качестве источников клеток могут быть использованы аллогенные или аутологичные клетки и ткани, такие как клетки аорты или пуповины. Также зрелые клетки могут быть получены путем дифференцирования из мультипотентных стволовых клеток или прогениторных клеток. Клеточные линии культивируют отдельно до формирования конфлюэнтных слоев, которые собирают послойно вокруг штифта или цилиндра, покрытых гелем из агарозы, агара или других гидрогелей, таких как полиэтиленгликоль, для создания изделия трубчатой формы. Полученный многослойный клеточный протез культивируют до полного формирования, а затем помещают в пульсирующий биореактор, обеспечивающий механическую нагрузку, для созревания протеза и улучшения его механических свойств. К недостаткам данного способа можно отнести малую прочность получаемых изделий в результате отсутствия скаффолда, который бы обеспечивал механическую поддержку клеткам. Имплантированные в кровеносное русло тканеинженерные сосудистые протезы, состоящие только из клеток, имеют высокий риск формирования аневризм и разрыва стенки. Кроме того, данный подход требует большого количества клеточного материала, а его получение из предлагаемых источников, например из аорты, является инвазивной процедурой с дополнительным повреждением сосудов пациента или донора.A known method of manufacturing a multilayer tissue-engineered vascular prosthesis, the inner layer of which is formed by mature endothelial cells, the middle layer by mature smooth muscle cells and the outer layer by mature fibroblasts (GB 2489081 A: Int C1. C12N 5/071; A61F 2/00; A61L 27/38 ; A61L 27/50. Multilayered vascular tubes. Organovo Inc (US); Inventors: Khatiwala CB (US), Murphy K. (US); appl. no. 1203622.4; filed 05.26.2010; pub. date 05.26.2010). Allogeneic or autologous cells and tissues such as aortic or umbilical cord cells can be used as cell sources. Also, mature cells can be obtained by differentiation from multipotent stem cells or progenitor cells. The cell lines are cultured separately until the formation of confluent layers, which are collected in layers around a pin or cylinder gel-coated with agarose, agar or other hydrogels such as polyethylene glycol to create a tubular product. The resulting multilayer cell prosthesis is cultivated until it is fully formed, and then placed in a pulsating bioreactor that provides mechanical load to mature the prosthesis and improve its mechanical properties. The disadvantages of this method include the low strength of the products obtained as a result of the absence of a scaffold that would provide mechanical support to the cells. Tissue-engineered vascular prostheses implanted into the bloodstream, consisting only of cells, have a high risk of aneurysm formation and wall rupture. In addition, this approach requires a large amount of cellular material, and obtaining it from the proposed sources, for example, from the aorta, is an invasive procedure with additional damage to the patient's or donor's vessels.
Еще один способ создания тканеинженерных кровеносных сосудов малого диаметра основан на посеве клеток на трубчатые формы или штифты, такие как фибриновые нити или силиконовые трубки, покрытые коллагеном (US 20110033927 A1: Int C1. CI2N 5/071; CI2N 5/0775; CI2N 5/00. Methods of generating small-diameter tissue engineered blood vessels. Worcester Polytechnic Institute (US); Inventors: Rolle M. (US); Parekh D.P. (US); Doshi K.J. (US); Gwyther T. (US); appl. no. 12/752708; filed 01.04.2010; pub. date 10.02.2011). В первом случае, мезенхимальные стволовые клетки, полученные из костного мозга, культивируют на фибриновых нитях в v-образной камере, покрытой агарозой, препятствующей адгезии клеток к поверхности камеры. В процессе культивирования клетки формируют стенку сосудистого протеза, при этом фибрин постепенно резорбируется. Во втором случае, гладкомышечные клетки аорты культивируют на внешней поверхности силиконовой трубки, покрытой коллагеном. После формирования клетками стенки протеза, силиконовая трубка удаляется. Недостатки данных изделий заключаются в отсутствии эндотелиального слоя, наличие которого критично для тромборезистентности сосудистого протеза, а также в их низкой прочности, так как межклеточный матрикс, формируемый клетками при культивировании in vitro, не способен выдерживать нагрузку, оказываемую током крови на сосудистую стенку.Another way to create tissue-engineered blood vessels of small diameter is based on seeding cells on tubular forms or pins, such as fibrin threads or collagen-coated silicone tubes (US 20110033927 A1: Int C1. CI2N 5/071; CI2N 5/0775; CI2N 5/ 00. Methods of generating small-diameter tissue engineered blood vessels, Worcester Polytechnic Institute (US), Inventors: Rolle M. (US), Parekh DP (US), Doshi KJ (US), Gwyther T. (US), appl. no. 12/752708; filed 04/01/2010; pub. date 02/10/2011). In the first case, bone marrow-derived mesenchymal stem cells are cultured on fibrin threads in a v-shaped chamber coated with agarose, which prevents cell adhesion to the chamber surface. In the process of cultivation, the cells form the wall of the vascular prosthesis, while fibrin is gradually resorbed. In the second case, aortic smooth muscle cells are cultured on the outer surface of a silicone tube coated with collagen. After the cells form the wall of the prosthesis, the silicone tube is removed. The disadvantages of these products are the absence of an endothelial layer, the presence of which is critical for thromboresistance of a vascular prosthesis, as well as their low strength, since the intercellular matrix formed by cells during in vitro cultivation is not able to withstand the load exerted by blood flow on the vascular wall.
Описан подход к изготовлению тканеинженерного протеза, который заключается в использовании поддерживающей формы, матрикса и эндотелиальных и гладкомышечных клеток (US 8192348 B2: Int C1. A61F 2/04. Engineered blood vessels. Regents of the University Minnesota (US); Inventors: Tranquillo R.T. (US); Ross J. (US); Reyes M. (US); appl. no. 10/562955; filed 01.06.2004; pub. date 13.01.2005). Для этого на трубчатую форму-носитель наносят матрикс, содержащий клетки. Трубчатая форма имеет пористую структуру, проницаема для питательных веществ и газов и может быть изготовлена из различных биосовместимых материалов, таких как молочная и полигликолевая кислоты, полидиметилсилоксан, полиглицерин-себацинат, сополимер полилацида и гликолида, полидиоксанон, полиглюконат, поликапролактон, поликарбонаты, полиамиды, полиангидриды другие, а также их сочетания. Матрикс, в который вводят эндотелиальные и гладкомышечные клетки, имеет фибриллярную структуру и изготовлен преимущественно из фибрина, либо фибронектина, амфифильных диблок-сополимеров или амфифильных триблочных сополимеров или пептидов. Также, матрикс может быть изготовлен из ламинина, протеогликанов или матригеля. Клетки вводят непосредственно в матрикс и полученную композицию наносят на форму-носитель. В качестве источников клеток могут быть использованы сосуды (артерии или вены), микрососудистая ткань или пупочная вена. Клетки могут быть как аутологичного, так и аллогенного происхождения. При применении донорских клеток предусмотрена терапия с использованием фармакологических препаратов, таких как преднизон и преднизолон, азатиоприн, микофенолат мофетил, метотрексат, циклофосфамид, моноклональные антитела и другие, для подавления реакции иммунного отторжения тканеинженерного протеза после его имплантации. Помимо дифференцированных клеток, могут быть использованы эмбриональные стволовые клетки, мезенхимальные стволовые клетки, эндотелиальные прогениторные и гладкомышечные прогениторные клетки. Стволовые клетки могут быть получены из любых подходящих тканей, таких как костный мозг, головной мозг, спинной мозг, пуповинная кровь, периферическая кровь, печень, плацента, жировая ткань или мышцы. Стволовые клетки дифференцируют in vitro в зрелые эндотелиальные гладкомышечные клетки с использованием факторов дифференцировки. Данный подход имеет недостатки, связанные с расположением поддерживающей трубчатой формы относительно эндотелиального слоя. Так как матрикс с эндотелиальными клетками наносят на внешнюю поверхность формы-носителя, то в случае использовании протеза вместе с данной поддерживающей формой эндотелий не будет контактировать с кровью, что увеличивает риск тромбообразования, а при удалении формы носителя эндотелиальный слой может быть поврежден, что также может способствовать тромбозу. Более того, эндотелиальные клетки заключены в фибриновый матрикс, что ограничивает формирование непрерывного эндотелия на внутренней поверхности протеза.An approach to the manufacture of a tissue-engineered prosthesis is described, which consists in the use of a supporting form, a matrix, and endothelial and smooth muscle cells (US 8192348 B2: Int C1.
Известен метод изготовления тканеинженерного сосудистого протеза путем посева клеток на внешнюю поверхность трубчатого скаффолда, в процессе культивирования клетки инфильтрируют скаффолд и полностью покрывают его (US 20030068817 A1: Int C1. А61К 45/00; C12N 5/06. Vascular tissue engineering. Inventors: Gazit D. (IL); Gafni Y. (1L); Turgeman G. (IL); Pelled G. (IL); appl. no. 10/234707; filed 05.09.2002; pub. date 10.04.2003). Культивирование может осуществляться как в статических условиях, так в биореакторе. Для заселения скаффолда могут быть использованы сосудистые клетки, мезенхимальные стволовые клетки, эндотелиальные прогениторные клетки и другие из костного мозга или периферической крови. Первый слой формируют из эндотелиальных клеток или клеток, способных дифференцироваться в эндотелиальные. Скаффолд имеет фибриллярную структуру и изготовлен из биорезорбируемого полимера, например, целлюлозы, сополимера полилактида и полигликолида и других. Для формирования новой ткани вокруг фибриллярного скаффолда может быть использовано дополнительное покрытие полимерами, поддерживающими клеточную пролиферацию, такими как декстран, хитозан, фибриноген, фибрин, коллаген, желатин и другие. Поддерживающий полимер наносят на скаффолд, уже заселенный клетками. К недостаткам данного метода относится заселение клетками внешней части скаффолда, что ограничивает возможность формирования эндотелия на внутренней поверхности протеза. Также, нанесение поддерживающего полимера на заселенный клетками скаффолд препятствует поступлению газов и питательных веществ к клеткам, что негативно влияет на их жизнеспособность.A known method of manufacturing a tissue-engineered vascular prosthesis by seeding cells on the outer surface of a tubular scaffold, in the process of culturing the cells infiltrate the scaffold and completely cover it (US 20030068817 A1: Int C1. A61K 45/00; C12N 5/06. Vascular tissue engineering. Inventors: Gazit D. (IL); Gafni Y. (1L); Turgeman G. (IL); Pelled G. (IL); appl. no. 10/234707; filed 05.09.2002; pub. date 10.04.2003). Cultivation can be carried out both under static conditions and in a bioreactor. Vascular cells, mesenchymal stem cells, endothelial progenitor cells, and others from the bone marrow or peripheral blood can be used to populate the scaffold. The first layer is formed from endothelial cells or cells capable of differentiating into endothelial cells. The scaffold has a fibrillar structure and is made of a bioresorbable polymer, such as cellulose, polylactide-polyglycolide copolymer, and others. To form a new tissue around the fibrillar scaffold, an additional coating with polymers that support cell proliferation, such as dextran, chitosan, fibrinogen, fibrin, collagen, gelatin, and others, can be used. The support polymer is applied to the scaffold already populated with cells. The disadvantages of this method include the colonization of the outer part of the scaffold by cells, which limits the possibility of endothelial formation on the inner surface of the prosthesis. Also, the application of a supporting polymer to a scaffold populated with cells prevents the flow of gases and nutrients to the cells, which negatively affects their viability.
Известен тканеинженерный сосудистый протез, состоящий из биосовместимого биорезорбируемого скаффолда и клеток или клеточных пластов, культивированный в биореакторе или статических условиях (US 9290742 В2: Int C1. CI2N 5/00; CI2N 5/071; A6L 27/8; A6L 27/36; A6L 27/38; A6L 27/50. Tissue engineered blood vessel. Cordis Corporation (US). Inventors: Cooper K. (US); Chun I. (US); Colter D.C. (US); Dhanaraj S. (US); Gosiewska A. (US); Seyda A. (US); Fang C.H. (US); Yang C. (US); appl. no. 13/799520; filed 13.04.2013; pub. date 01.08.2013). В качестве полимеров для изготовления скаффолда могут быть использованы природные (коллаген, фибрин, эластин и их комбинации) и синтетические полимеры (лактиды, гликолиды, поликапролактон, диоксанон и их сополимеры). Скаффолды могут быть изготовлены в виде тканных материалов, сеток, пен, нетканных волокнистых материалов, полученных экструзией, электроспиннингом, плавлением и другими способами. Скаффолд заселяют одним или несколькими типами клеток: мультипотентными или плюрипотентными стволовыми клетками, такими как прогениторные гладкомышечные и прогениторные эндотелиальные клетки сосудов, клетки плаценты и пуповины. Заселение скаффолда клетками осуществляют непосредственно перед проведением хирургической операции, либо за несколько дней и культивируют в условиях биореактора. Главным недостатком данного протеза является использование клеток кровеносных сосудов, для получения которых требуется дополнительное повреждение сосудов пациента. Кроме того, прогениторные гладкомышечные и прогениторные эндотелиальные клетки сосудов невозможно получить в необходимом количестве, в результате их ограниченной пролиферации. А клетки плаценты и пуповины имеют аллогенное происхождение, и их использование в составе тканеинженерной конструкции может привести к иммунной реакции.Known tissue engineering vascular prosthesis, consisting of a biocompatible bioresorbable scaffold and cells or cell layers, cultured in a bioreactor or static conditions (US 9290742 B2: Int C1. CI2N 5/00; CI2N 5/071; A6L 27/8; A6L 27/36; A6L 27/38, A6L 27/50, Tissue engineered blood vessel, Cordis Corporation (US), Inventors: Cooper K. (US), Chun I. (US), Colter DC (US), Dhanaraj S. (US); Gosiewska A. (US); Seyda A. (US); Fang CH (US); Yang C. (US); appl. no. 13/799520; filed 04.13.2013; pub. date 08.01.2013). Natural (collagen, fibrin, elastin, and their combinations) and synthetic polymers (lactides, glycolides, polycaprolactone, dioxanone, and their copolymers) can be used as scaffold polymers. Scaffolds can be made in the form of woven materials, meshes, foams, non-woven fibrous materials obtained by extrusion, electrospinning, melting, and other methods. The scaffold is populated with one or more cell types: multipotent or pluripotent stem cells, such as progenitor smooth muscle and progenitor vascular endothelial cells, placental and umbilical cord cells. The scaffold is populated with cells immediately before the surgical operation, or several days before, and cultured in a bioreactor. The main disadvantage of this prosthesis is the use of blood vessel cells, which require additional damage to the patient's vessels. In addition, progenitor smooth muscle and progenitor vascular endothelial cells cannot be obtained in the required amount, as a result of their limited proliferation. And cells of the placenta and umbilical cord are of allogeneic origin, and their use as part of a tissue-engineered construct can lead to an immune response.
Также, описана тканеинженерная сосудистая конструкция на основе биорезорбируемого полимерного скаффолда из полигликолиевой кислоты, или полимолочной кислоты, или полисебаката, или их сополимеров (СА 2426819 А1: Int C1. A61F 2/06; A61f 2/36. Tissue-engineered vascular structures. Childrens Medical Center Corp (US). Inventors: Bischoff J. (US); Kaushal S. (US); Mayer J. (US); Perry T.E. (US); appl. no. 60/244277; filed 30.10.2001; pub. date 05.10.2002). В качестве альтернативы скаффолд может быть изготовлен из полимеров, входящих в состав межклеточного вещества: коллагена, ламинина, эластина, фибронектина. Внутреннюю поверхность графта заселяют прогениторными эндотелиальными клетками из периферической крови пациента в условиях пульсирующего биореактора. При этом оказываемое на клетки напряжение сдвига постепенно увеличивают от 1 до 25 дин/см2 в течение первых двух дней культивирования протеза в биореакторе. К недостаткам данной конструкции и ее изготовления относится быстрое повышение напряжения сдвига до высоких значений. При таком режиме культивирования в проточном биореакторе большая часть клеток смывается с поверхности протеза током жидкости. Кроме того, коллаген и ламинин обладают меньшей эффективностью в отношении удержания клеток на поверхности материала в условиях напряжения сдвига, по сравнению с фибрином (Chlupáč J, Filová Ε, Riedel Τ, et al. Attachment of human endothelial cells to polyester vascular grafts: pre-coating with adhesive protein assemblies and resistance to short-term shear stress. Physiol Res. 2014; 63(2): 167-177).Also, a tissue-engineered vascular structure based on a bioresorbable polymer scaffold made of polyglycolic acid, or polylactic acid, or polysebacate, or their copolymers is described (CA 2426819 A1: Int C1.
Наиболее близким техническим решением является способ изготовления тканеинженерного сосудистого протеза с использованием смеси фибриногена, тромбина и клеток (US 20040115176 А1: Int C1. А61К 45/00; C12N 5/08. Fibrin-based tissue-engineered vasculature. Inventors: Swartz D.D. (US); Andreadis S.T. (US); appl. no. 10/692381; filed 23.10.2003; pub. date 17.06.2004). Протез имеет трубчатую форму, и его стенка состоит из фибринового геля, содержащего клетки аутологичного происхождения. Для получения фибрина из крови пациента получают фибриноген и тромбин. В фибриновый гель вводят сосудистые гладкомышечные клетки и/или фибробласты, и формируют вокруг цилиндрического штифта. Для оптимальной ориентации клеток в стенке протеза, к нему могут быть приложено напряжение, например, с помощью тока жидкости через просвет трубчатого изделия в пульсирующем биореакторе. Внутренняя поверхность протеза может быть заселена эндотелиальными клетками. Также фибриновый гель может быть скомбинирован с пористым скаффолдом из децеллюляризированного эластина или сополимера полилактида и полигликолида. Главным недостатком данного подхода является использование зрелых гладкомышечных и эндотелиальных клеток пациента, так как их пролиферативная способность очень низка, а доступность крайне ограничена. Кроме того, фибрин подвержен быстрой деградации под воздействием протеаз, секретируемых гладкомышечными клетками. Потому данный протез характеризуется быстрой потерей прочности. При этом комбинирование фибрина с быстро резорбируемыми скаффолдами из эластина или сополимера полилактида и полигликолида недостаточно усилит прочность конструкции.The closest technical solution is a method for manufacturing a tissue-engineered vascular prosthesis using a mixture of fibrinogen, thrombin and cells (US 20040115176 A1: Int C1. A61K 45/00; C12N 5/08. Fibrin-based tissue-engineered vasculature. Inventors: Swartz DD (US ); Andreadis ST (US); appl. no. 10/692381; filed 10/23/2003; pub. date 06/17/2004). The prosthesis has a tubular shape, and its wall consists of a fibrin gel containing cells of autologous origin. To obtain fibrin, fibrinogen and thrombin are obtained from the patient's blood. Vascular smooth muscle cells and/or fibroblasts are introduced into the fibrin gel and formed around a cylindrical pin. For optimal cell orientation in the wall of the prosthesis, a voltage can be applied to it, for example, using a fluid flow through the lumen of a tubular product in a pulsating bioreactor. The inner surface of the prosthesis can be populated with endothelial cells. Also, fibrin gel can be combined with a porous scaffold made of decellularized elastin or a copolymer of polylactide and polyglycolide. The main disadvantage of this approach is the use of mature smooth muscle and endothelial cells of the patient, since their proliferative capacity is very low and their availability is extremely limited. In addition, fibrin is subject to rapid degradation by proteases secreted by smooth muscle cells. Therefore, this prosthesis is characterized by a rapid loss of strength. At the same time, the combination of fibrin with rapidly resorbable scaffolds made of elastin or a copolymer of polylactide and polyglycolide will not sufficiently enhance the strength of the structure.
Техническим результатом заявляемого решения является технология изготовления in vitro тканеинженерного сосудистого протеза малого диаметра, покрытого аутологичным фибрином и заселенного собственными колониеформирующими эндотелиальными клетками пациента (Фиг. 1). Технический результат достигается за счет комбинирования следующих параметров:The technical result of the proposed solution is the technology for manufacturing in vitro tissue-engineered vascular prosthesis of small diameter, covered with autologous fibrin and populated with the patient's own colony-forming endothelial cells (Fig. 1). The technical result is achieved by combining the following parameters:
1. Основную часть протеза, так называемый скаффолд, изготавливают из биосовместимых биорезорбируемых полимеров: полигидроксибутирата / валерата (ПГБВ) и ε-поликапролактона (ПКЛ). Данные полимеры имеют прочность, оптимальную для изготовления сосудистого протеза, способного выдерживать нагрузку, оказываемую током крови. Кроме того, изделия из ПГБВ и ПКЛ обладают длительным периодом биорезорбции, что обеспечивает сохранение целостности тканеинженерного протеза на основе скаффолда из смеси данных полимеров до момента формирования собственных тканей.1. The main part of the prosthesis, the so-called scaffold, is made from biocompatible bioresorbable polymers: polyhydroxybutyrate / valerate (PHBV) and ε-polycaprolactone (PCL). These polymers have a strength that is optimal for the manufacture of a vascular prosthesis that can withstand the load exerted by the blood flow. In addition, products made from PHBV and PCL have a long bioresorption period, which ensures the preservation of the integrity of a tissue-engineered prosthesis based on a scaffold from a mixture of these polymers until the formation of its own tissues.
2. Трубчатый скаффолд изготавливают из смеси ПГБВ и ПКЛ методом электроспиннинга. Материал скаффолда представляет собой разнонаправленные полимерные волокна диаметром 1 до 3 мкм, формирующие пористую структуру, при этом пористость материала составляет от 45% до 90%.2. A tubular scaffold is made from a mixture of PHBV and PCL using the electrospinning method. The scaffold material is multidirectional polymer fibers with a diameter of 1 to 3 microns, forming a porous structure, while the porosity of the material is from 45% to 90%.
3. Для увеличения биосовместимости и адгезивных свойств внутренней поверхности полимерного скаффолда, ее покрывают аутологичным фибрин-полимером. Фибрин является конечным продуктом коагуляционного каскада и представляет собой натуральный биорезорбируемый матрикс (Матвеева В.Г., Ханова М.Ю., Антонова Л.В., Барбараш Л.С. Фибрин - перспективный материал для тканевой сосудистой инженерии. Вестник трансплантологии и искусственных органов. 2020;22(1):196-208). Биоматериалы на его основе обладают высокой биосовместимостью и контролируемой биорезорбцией посредством фибринолиза с образованием нетоксичных продуктов. Волокна фибрина содержат сайты клеточной адгезии, которые способствуют адгезии, миграции и пролиферации клеток. Трехмерная пористая структура фибрина легко заселяется клетками, так как способна поддерживать их миграцию и жизнедеятельность благодаря диффузии питательных веществ и кислорода внутрь фибринового матрикса и удалению продуктов метаболизма (Aper Т., Teebken О.Е., Steinhoff G., Haverich A. Use of a fibrin preparation in the engineering of a vascular graft model. Eur J Vase Endovasc Surg. 2004;28:296-302).3. To increase the biocompatibility and adhesive properties of the inner surface of the polymer scaffold, it is coated with an autologous fibrin polymer. Fibrin is the end product of the coagulation cascade and is a natural bioresorbable matrix (Matveeva V.G., Khanova M.Yu., Antonova L.V., Barbarash L.S. Fibrin is a promising material for tissue vascular engineering. Bulletin of Transplantology and Artificial Organs 2020;22(1):196-208). Biomaterials based on it have high biocompatibility and controlled bioresorption through fibrinolysis with the formation of non-toxic products. Fibrin fibers contain cell adhesion sites that promote cell adhesion, migration, and proliferation. The three-dimensional porous structure of fibrin is easily populated by cells, as it is able to support their migration and vital activity due to the diffusion of nutrients and oxygen into the fibrin matrix and the removal of metabolic products (Aper T., Teebken O.E., Steinhoff G., Haverich A. Use of a fibrin preparation in the engineering of a vascular graft model Eur J Vase Endovasc Surg 2004;28:296-302).
4. Фибрин-полимер изготавливают из фибриногена, полученного из собственной периферической крови пациента. Использование аутологичного фибриногена позволяет избежать иммунной реакции на сосудистый протез после его имплантации.4. Fibrin polymer is made from fibrinogen obtained from the patient's own peripheral blood. The use of autologous fibrinogen avoids an immune reaction to the vascular prosthesis after its implantation.
5. Для создания фибринового слоя на поверхности сосудистого протеза скаффолд из ПГБВ/ПКЛ пропитывают раствором фибриногена и осуществляют его полимеризацию путем добавления тромбина и хлорида кальция (CaCl2).5. To create a fibrin layer on the surface of the vascular prosthesis, the PHBV/PCL scaffold is impregnated with a fibrinogen solution and polymerized by adding thrombin and calcium chloride (CaCl 2 ).
6. Для обеспечения тромборезистентности сосудистого протеза его внутреннюю поверхность заселяют аутологичными колониеформирующими эндотелиальными клетками (КФЭК). КФЭК могут быть выделены из периферической крови. Данные клетки относятся к прогениторным, по морфологии, фенотипу, геному и транскриптому они близки к зрелым эндотелиальным клеткам, при этом обладают высоким пролиферативным потенциалом. Кроме того, показано, что КФЭК могут быть выделены из крови пациентов с ишемической болезнью сердца (Матвеева В.Г., Ханова М.Ю., Великанова Е.А., Антонова Л.В., Сардин Е.С., Крутицкий С.С, Барбараш О.Л. Возможность получения и характеристика колониеформирующих эндотелиальных клеток из периферической крови пациентов с ишемической болезнью сердца. Цитология 2018; 60(8): 598-608). Доступность и высокая пролиферативная активность делают КФЭК перспективным кандидатом для эндотелизации тканеинженерных сосудистых протезов.6. To ensure thromboresistance of the vascular prosthesis, its inner surface is populated with autologous colony-forming endothelial cells (CPEC). CPEK can be isolated from peripheral blood. These cells belong to progenitor cells, in terms of morphology, phenotype, genome and transcriptome they are close to mature endothelial cells, while they have a high proliferative potential. In addition, it has been shown that CPEC can be isolated from the blood of patients with coronary heart disease (Matveeva V.G., Khanova M.Yu., Velikanova E.A., Antonova L.V., Sardin E.S., Krutitsky S. .S, Barbarash O.L. Possibility of obtaining and characterization of colony-forming endothelial cells from the peripheral blood of patients with coronary heart disease. Cytology 2018; 60(8): 598-608). Availability and high proliferative activity make CPEC a promising candidate for endothelialization of tissue-engineered vascular prostheses.
7. Аутологичные КФЭК выделяют из периферической крови пациента и культивируют до получения необходимого количества клеток.7. Autologous CPECs are isolated from the patient's peripheral blood and cultured to obtain the required number of cells.
8. Эндотелизацию тканеинженерного сосудистого протеза осуществляют в условиях пульсирующего проточного биореактора. Заселение протеза КФЭК в проточном биореакторе способствует ориентации клеток в направлении потока культуральной среды и поддержанию клетками функционально активного эндотелиального фенотипа.8. Endothelization of a tissue-engineered vascular prosthesis is carried out in a pulsating flow bioreactor. The colonization of the CFEC prosthesis in the flow bioreactor promotes the orientation of cells in the direction of the flow of the culture medium and the maintenance of a functionally active endothelial phenotype by the cells.
Предлагаемое техническое решение представляет собой персонифицированный заселенный эндотелиальными клетками биодеградируемый сосудистый протез малого диаметра, изготовление которого осуществляют следующим образом.The proposed technical solution is a personalized biodegradable small-diameter vascular prosthesis populated with endothelial cells, the manufacture of which is carried out as follows.
Этап 1. Изготовление полимерного трубчатого скаффолда.
- Готовят раствор смеси полимеров, содержащий ПГБВ в концентрации от 3 до 7% (m/v) и ПКЛ в концентрации от 9 до 14% (m/v), в трихлорметане.- Prepare a solution of a mixture of polymers containing PHBV at a concentration of 3 to 7% (m/v) and PCL at a concentration of 9 to 14% (m/v), in trichloromethane.
- Трубчатый скаффолд с толщиной стенки от 50 до 600 мкм. изготавливают электроспиннингом раствора ПГБВ/ПКЛ при напряжении от 15 до 25 кВ, скорости подачи полимерного раствора от 0,5 до 3 мл/ч, использовании иглы с внутренним диаметром от 20G до 27G и коллектора - вращающегося металлического штифта диаметром от 1 до 6 мм.- Tubular scaffold with wall thickness from 50 to 600 microns. are produced by electrospinning of a PHBV/PKL solution at a voltage of 15 to 25 kV, a polymer solution feed rate of 0.5 to 3 ml/h, using a needle with an inner diameter of 20G to 27G and a collector - a rotating metal pin with a diameter of 1 to 6 mm.
- После изготовления скаффолд высушивают до полного испарения растворителя.- After fabrication, the scaffold is dried until the solvent has completely evaporated.
Этап 2. Модификация поверхности полимерного скаффолда фибрином.
- Берут кровь у пациента в стерильные пробирки с цитратом натрия.- Take blood from the patient in sterile test tubes with sodium citrate.
- Выделяют преципитат фибриногена из крови. Для снижения временных затрат, достижения максимально эффективного выхода фибриногена (до 80% от присутствующего в плазме крови фибриногена), сохранения физико-механических и биологических свойств будущего фибрина (Weis-Fogh, U.S. Fibrinogen prepared from small blood samples for autologous use in a tissue adhesive system. Eur Surg Res 20,381,1988. Dietrich M, Heselhaus J, Wozniak J, et al. Fibrin-based tissue engineering: comparison of different methods of autologous fibrinogen isolation. Tissue Eng Part С Methods. 2013; 19(3): 216-226. doi:10.1089/ten.TEC.2011.0473), используют метод этаноловой преципитации с низким содержанием этанола. Для этого кровь центрифугируют при 2000 × g в течение 10 мин с целью получения плазмы. Полученную плазму охлаждают до 4°С. В плазму при постоянном перемешивании добавляют 16% этанол (4°С) так, чтобы соотношение плазмы к раствору этанола составляло 1:1. Сразу после этого раствор плазмы в этаноле встряхивают на шейке при температуре 4°С, далее центрифугируют при 1000 × g и 4°С в течение 20 минут. Надосадок декантируют, преципитат растворяют в физрастворе 0,9% NaCl с HEPES до концентрации фибриногена 30-40 мг/мл и вносят раствор апротинина 100 КИЕ/мл для подавления фибринолиза.- Isolate the precipitate of fibrinogen from the blood. To reduce time costs, achieve the most efficient fibrinogen yield (up to 80% of the fibrinogen present in the blood plasma), preserve the physico-mechanical and biological properties of the future fibrin (Weis-Fogh, US Fibrinogen prepared from small blood samples for autologous use in a tissue adhesive system Eur Surg Res 20,381,1988 Dietrich M, Heselhaus J, Wozniak J, et al Fibrin-based tissue engineering: comparison of different methods of autologous fibrinogen isolation Tissue Eng Part C Methods 2013;19(3):216 -226. doi:10.1089/ten.TEC.2011.0473) use the low ethanol ethanol precipitation method. To do this, the blood is centrifuged at 2000 x g for 10 min to obtain plasma. The resulting plasma is cooled to 4°C. 16% ethanol (4°C) is added to the plasma with constant stirring so that the ratio of plasma to ethanol solution is 1:1. Immediately after this, the plasma solution in ethanol is shaken on the neck at a temperature of 4°C, then centrifuged at 1000 × g and 4°C for 20 minutes. The supernatant is decanted, the precipitate is dissolved in a saline solution of 0.9% NaCl with HEPES to a fibrinogen concentration of 30-40 mg/ml, and a solution of aprotinin 100 CIE/ml is added to suppress fibrinolysis.
- Осуществляют полимеризацию фибрина на поверхности ПГБВ/ПКЛ скаффолда. Для этого ПГБВ/ПКЛ скаффолд пропитывают полученным раствором фибриногена. После чего на поверхность протеза наносят раствор тромбина в концентрации 500 ЕД/мл и CaCl2 в концентрации 40 ммоль/л для полимеризации фибрина. После полимеризации протезы погружают в фосфатно-солевой буфер с ε-аминокапроновой кислотой в концентрации 2 мг/мл и сохраняют до заселения клетками.- Carry out the polymerization of fibrin on the surface of PHBV/PCL scaffold. To do this, the PHBV/PCL scaffold is impregnated with the resulting fibrinogen solution. After that, a solution of thrombin at a concentration of 500 U/ml and CaCl 2 at a concentration of 40 mmol/l is applied to the surface of the prosthesis to polymerize fibrin. After polymerization, the prostheses are immersed in phosphate-buffered saline with ε-aminocaproic acid at a concentration of 2 mg/ml and stored until the cells are populated.
Этап 3. Эндотелизация внутренней поверхности фибрин-модифицированного ПГБВ/ПКЛ скаффолда и получение персонифицированного сосудистого протеза.
- Берут кровь у пациента в стерильные пробирки с гепарином в объеме не менее 20 мл.- Take blood from the patient in sterile test tubes with heparin in a volume of at least 20 ml.
- Выделяют из крови КФЭК. Для этого на градиенте плотности Histopaque 1077 выделяют мононуклеарную фракцию периферической крови. Полученные из интерфазы клетки промывают фосфатно-солевым буфером и центрифугируют (данную процедуру осуществляют дважды). Суспензию клеток ресуспендируют в полной питательной среде EGM-2MV, содержащей 5% фетальной бычьей сыворотки, 2% пенициллина/стрептомицина и 0,25 г/мл амфотерицина В, и заселяли в покрытые коллагеном культуральные флаконы. Культивирование проводят в СО2-инкубаторе при 37°С и 5% СО2. Первые 2 суток среду меняют ежедневно, в дальнейшем - через 2-3 суток. По окончании недели культивирования клетки снимают аккутазой, отмывают фосфатно-солевым буфером с 5% фетальной бычьей сывороткой, ресуспендируют в полной питательной среде и переносят в культуральный планшет, покрытый фибронектином. Клетки культивируют до формирования 70-80% конфлюэнтной культуры, после чего выполняют пассаж. Культивирование продолжают до получения необходимого количества клеток.- Isolate CPEK from the blood. To do this, a mononuclear fraction of peripheral blood is isolated on a Histopaque 1077 density gradient. The cells obtained from the interphase are washed with phosphate-buffered saline and centrifuged (this procedure is carried out twice). The cell suspension was resuspended in complete EGM-2MV medium containing 5% fetal bovine serum, 2% penicillin/streptomycin and 0.25 g/ml amphotericin B and seeded in collagen-coated culture flasks. Cultivation is carried out in CO 2 -incubator at 37°C and 5% CO 2 . The first 2 days, the medium is changed daily, in the future - after 2-3 days. At the end of the week of cultivation, the cells are removed with accutase, washed with phosphate-buffered saline with 5% fetal bovine serum, resuspended in complete nutrient medium and transferred to a fibronectin-coated culture plate. The cells are cultivated until the formation of 70-80% confluent culture, after which the passage is performed. Cultivation is continued until the required number of cells is obtained.
- Для эндотелизации КФЭК наносят на внутреннюю поверхность фибрин-модифицированного ПГБВ/ПКЛ скаффолда в количестве не менее 700000 клеток на 1 см2 и культивируют в статических условиях в течение 2 суток. После чего тканеинженерную конструкцию подключают к системе пульсирующего проточного биореактора и культивируют при напряжении сдвига от 1 до 1,5 дин/см2 в течение суток. Затем постепенно увеличивают напряжение сдвига до значения от 2 до 3 дин/см2 и культивируют в данном режиме от 2 до 10 суток.- For endothelization, CPEK is applied to the inner surface of the fibrin-modified PHBV/PCL scaffold in an amount of at least 700,000 cells per 1 cm 2 and cultivated under static conditions for 2 days. After that, the tissue-engineered structure is connected to the system of a pulsating flow bioreactor and cultivated at a shear stress of 1 to 1.5 dynes/cm 2 during the day. Then gradually increase the shear stress to a value of 2 to 3 dynes/cm 2 and cultivate in this mode from 2 to 10 days.
- Полученный персонифицированный сосудистый протез внутренней поверхностью, выстланную монослоем эндотелиальных клеток, хранят в культуральной среде в стерильных условиях при температуре 37°С и 5% СО2.- Received personalized vascular prosthesis inner surface lined with a monolayer of endothelial cells, stored in a culture medium under sterile conditions at a temperature of 37°C and 5% CO 2 .
Сущность изобретения поясняется иллюстрациями.The essence of the invention is illustrated by illustrations.
Фиг. 1. Схема продольного среза персонифицированного клеточнозаселенного сосудистого протеза малого диаметра: 1 - пористая стенка протеза из полигидроксибутирата/валерата и ε-поликапролактона; 2 - фибриновое покрытие; 3 - эндотелиальные клетки; 4 - внутренний просвет протеза. Схема проточного биореактора: 1-емкость с культуральной средой; 2-насос, создающий пульсирующий поток жидкости; 3-культуральная камера, заполненная культуральной с редой; 4-трубчатый скаффолд; 5- направление потока культуральной среды. Фиг. 2. Сканирующая электронная микроскопия внутренней поверхности персонифицированного клеточнозаселенного сосудистого протеза малого диаметра: 1 - увеличение ×100; 2 увеличение ×500; 2 - увеличение ×2000. Фиг. 3. Атомно-силовая микроскопия поверхности персонифицированного клеточнозаселенного сосудистого протеза малого диаметра. Фиг. 4. Жизнеспособность колониеформирующих эндотелиальных клеток человека на внутренней поверхности персонифицированного клеточнозаселенного сосудистого протеза малого диаметра. Сочетанная окраска ядерными красителями Hoechst 33342 и бромистым этидием, увеличение ×200, масштабная линейка - 50 мкм: 1 - клетка, окрашенная бромистым этидием; остальные клетки на изображении имеют только окраску Hoechst 33342.Fig. 1. Scheme of a longitudinal section of a personalized cell-populated vascular prosthesis of small diameter: 1 - porous wall of the prosthesis made of polyhydroxybutyrate/valerate and ε-polycaprolactone; 2 - fibrin coating; 3 - endothelial cells; 4 - internal lumen of the prosthesis. Scheme of a flow bioreactor: 1-capacity with a culture medium; 2-pump, creating a pulsating fluid flow; 3-cultural chamber filled with culture medium; 4-tube scaffold; 5 - direction of flow of the culture medium. Fig. 2. Scanning electron microscopy of the inner surface of a personalized cell-populated vascular prosthesis of small diameter: 1 - magnification ×100; 2 magnification ×500; 2 - magnification ×2000. Fig. 3. Atomic force microscopy of the surface of a personalized small-diameter cell-populated vascular prosthesis. Fig. 4. Viability of human colony-forming endothelial cells on the inner surface of a personalized small-diameter cell-populated vascular prosthesis. Combined staining with nuclear dyes Hoechst 33342 and ethidium bromide, magnification ×200, scale bar - 50 µm: 1 - cell stained with ethidium bromide; the rest of the cells in the image have only Hoechst 33342 staining.
Пример осуществления изобретения «Способ изготовления in vitro персонифицированного клеточнозаселенного сосудистого протеза».An example of the invention "Method of in vitro manufacturing of a personalized cell-populated vascular prosthesis".
Сосудистый скаффолд изготавливали методом элетроспиннинга на установке NANON-01A (МЕСС, Япония) из смеси 10% ПКЛ (Sigma-Aldrich, США) и 5% ПГБВ (Sigma-Aldrich, США) в хлороформе при следующихусловиях: игла для подачи раствора - 22G, напряжение - 20 кВ, скорость подачи раствора - 0,3 мл/ч, коллектор - штифт диаметром 4 мм.A vascular scaffold was fabricated by electrospinning on a NANON-01A device (MESS, Japan) from a mixture of 10% PCL (Sigma-Aldrich, USA) and 5% PHBV (Sigma-Aldrich, USA) in chloroform under the following conditions: needle for supplying the solution - 22 G, voltage - 20 kV, solution feed rate - 0.3 ml/h, collector - pin with a diameter of 4 mm.
У донора брали периферическую кровь в две пробирки: с цитратом натрия и с гепарином. Из цитратной крови получали преципитат фибриногена методом осаждения этанолом. Для этого кровь центрифугировали 10 мин при 2000 × g. Полученную плазму охлаждали до 4°С и добавляли 16% этанол, также охлажденный до 4°С, при постоянном перемешивании в соотношение плазмы к раствору этанола 1:1. Полученный раствор центрифугировали 20 минут при 1000 × g и температуре 4°С. Осадок фибриногена растворяли в 0,9% NaCl с HEPES до концентрации 30 мг/мл и вносили апротинин 100 КИЕ/млThe peripheral blood was taken from the donor in two test tubes: with sodium citrate and with heparin. Fibrinogen precipitate was obtained from citrated blood by ethanol precipitation. For this, the blood was centrifuged for 10 min at 2000 × g. The resulting plasma was cooled to 4°C and added 16% ethanol, also cooled to 4°C, with constant stirring in the ratio of plasma to ethanol solution 1:1. The resulting solution was centrifuged for 20 minutes at 1000 × g and a temperature of 4°C. The fibrinogen precipitate was dissolved in 0.9% NaCl with HEPES to a concentration of 30 mg/ml and aprotinin 100 cfu/ml was added
Трубчатый ПГБВ/ПКЛ скаффолд пропитывали полученным раствором фибриногена путем погружения. Далее на поверхность скаффолда наносили раствор тромбина в концентрации 500 ЕД/мл (Т7009, Sigma-Aldrich, США) и CaCl2 в концентрации 40 ммоль/л для полимеризации фибрина. После полимеризации протезы погружали в фосфатно-солевой буфер с ε-аминокапроновой кислотой в концентрации 2 мг/мл.The tubular PHBV/PCL scaffold was impregnated with the resulting fibrinogen solution by immersion. Then, a thrombin solution at a concentration of 500 U/mL (T7009, Sigma-Aldrich, USA) and CaCl 2 at a concentration of 40 mmol/L were applied to the surface of the scaffold to polymerize fibrin. After polymerization, the prostheses were immersed in phosphate-buffered saline with ε-aminocaproic acid at a concentration of 2 mg/ml.
Из гепаринизированной крови выделяли КФЭК. Для этого мононуклеарную фракцию периферической крови выделяли на градиенте плотности Histopaque 1077 (Sigma-Aldrich, США) в соответствии с инс трукцией производителя. Полученные из интерфазы клетки дважды промывали фосфатно-солевым буфером с последующим центрифугированием, суспензию клеток ресуспендировали в полной питательной среде EGM-2MV (Lonza, Швейцария), содержащей 5% фетальной бычьей сыворотки (HyClone, США), 2% пенициллина/стрептомицина (Invitrogen, США) и 0,25 г/мл амфотерицина В (Invitrogen), и заселяли в покрытые коллагеном (Thermo Fisher, США) культуральные флаконы Т-25 (площадь поверхности 25 см2). Культивирование проводили в СО2-инкубаторе при 37°С и 5% СО2. Первые 2 суток культуральную среду меняли ежедневно для удаления неадгезированных клеток и дебриса, в дальнейшем - через 2-3 суток. Через неделю культивирования клетки снимали аккутазой (Sigma-Aldrich, США), отмывали фосфатно-солевым буфером с 5% фетальной бычьей сывороткой, ресуспендировали в полной питательной среде, переносили в культуральный планшет, покрытый фибронектином (Sigma-Aldrich, США) и культивировали до формирования 70-80% конфлюэнтной культуры, после чего выполняли пассаж. Ежедневно осуществляли визуальный контроль за ростом культуры.CPEK was isolated from heparinized blood. For this, the peripheral blood mononuclear fraction was isolated on a Histopaque 1077 density gradient (Sigma-Aldrich, USA) according to the manufacturer's instructions. The cells obtained from the interphase were washed twice with phosphate-buffered saline followed by centrifugation, the cell suspension was resuspended in a complete nutrient medium EGM-2MV (Lonza, Switzerland) containing 5% fetal bovine serum (HyClone, USA), 2% penicillin/streptomycin (Invitrogen, USA) and 0.25 g/ml amphotericin B (Invitrogen), and populated in collagen-coated (Thermo Fisher, USA) T-25 culture flasks (surface area 25 cm 2 ). Cultivation was carried out in CO 2 -incubator at 37°C and 5% CO 2 . For the first 2 days, the culture medium was changed daily to remove non-adherent cells and debris, then after 2-3 days. After a week of cultivation, cells were removed with accutase (Sigma-Aldrich, USA), washed with phosphate-buffered saline with 5% fetal bovine serum, resuspended in a complete nutrient medium, transferred to a culture plate coated with fibronectin (Sigma-Aldrich, USA) and cultivated until formation. 70-80% confluent culture, after which the passage was performed. Visual control of culture growth was carried out daily.
Внутреннюю поверхность фибрин-модифицированного трубчатого ПГБВ/ПКЛ скаффолда заселяли КФЭК в количестве 700000 клеток на 1 см2 и культивировали в полной питательной среде в статических условиях в течение 2 суток, после чего подключали к системе пульсирующего проточного биореактора и культивировали при напряжении сдвига 1,27 дин/см2 в течение суток. Затем постепенно увеличивали напряжение сдвига до значения 2,85 дин/см2 и культивировали в данном режиме еще 4 суток.The inner surface of the tubular-modified fibrin PHBV / PCL scaffold KFEK settled in an amount of 700,000 cells per 1 cm 2 and cultured in complete medium in static conditions for 2 days after which the system was connected to a pulsating flow bioreactor and cultured at a shear stress of 1.27 dyne/cm 2 during the day. Then gradually increased the shear stress to a value of 2.85 dynes/cm 2 and cultivated in this mode for another 4 days.
Оценка эффективности разработанной технологии.Evaluation of the effectiveness of the developed technology.
Оценка формы и пространственной ориентации КФЭК на внутренней поверхности персонифицированного сосудистого протеза.Evaluation of the shape and spatial orientation of CFEC on the inner surface of a personalized vascular prosthesis.
Внутреннюю поверхность персонифицированного сосудистого протеза оценивали методом сканирующей электронной микроскопии. Все образцы протеза фиксировали в 2% растворе глутарового альдегида с постфиксацией в 1% растворе OsO4, после чего промывали фосфатно-солевым буфером и обезвоживали в серии спиртов с восходящей концентрацией от 30% до 100% в течение 15 минут в каждом с последующим досушиванием при комнатной температуре. Образцы монтировали на столики для сканирующего электронного микроскопа с использованием углеродного скотча и осуществляли золото-палладиевое напыление при помощи вакуумной установки ЕМ АСЕ200 (Leica Microsystems, Германия) для формирования токопроводящего покрытия. Полученные образцы изучали на сканирующем электронном микроскопе S-3400N (Hitachi, Япония) в условиях высокого вакуума при ускоряющем напряжении 5 кВ.The inner surface of the personalized vascular prosthesis was assessed by scanning electron microscopy. All prosthesis samples were fixed in 2% glutaraldehyde solution with post-fixation in 1% OsO 4 solution, after which they were washed with phosphate-buffered saline and dehydrated in a series of alcohols with an increasing concentration from 30% to 100% for 15 minutes each, followed by final drying at room temperature. The samples were mounted on stages for a scanning electron microscope using carbon tape and gold-palladium sputtering was carried out using an EM ACE200 vacuum unit (Leica Microsystems, Germany) to form a conductive coating. The resulting samples were studied on an S-3400N scanning electron microscope (Hitachi, Japan) under high vacuum conditions at an accelerating voltage of 5 kV.
Исследование показало, что фибрин адгезировался на поверхности ПГБВ/ПКЛ скаффолда с формированием равномерного плотного покрытия мелкопористой волокнистой структуры (Фиг. 2). При культивировании КФЭК на поверхности протеза, модифицированного фибрином, отмечена высокая степень их адгезии к поверхности с образованием монослоя, а также хорошая распластанность клеток и их плотное прилегание к поверхности.The study showed that fibrin adhered to the surface of the PHBV/PCL scaffold with the formation of a uniform dense coating of a finely porous fibrous structure (Fig. 2). When cultivating CPEK on the surface of a prosthesis modified with fibrin, a high degree of their adhesion to the surface with the formation of a monolayer was noted, as well as good spreading of the cells and their tight fit to the surface.
Оценка силы клеточной адгезии и рельефа внутренней поверхности персонифицированного сосудистого протеза.Evaluation of the strength of cell adhesion and the relief of the inner surface of a personalized vascular prosthesis.
Изучение силы клеточной адгезии и рельефа внутренней поверхности протеза осуществляли с помощью атомно-силовой микроскопии. Образцы фиксировали в 4% растворе параформальдегида, затем высушивали. Исследование проводили на атомно-силовом микроскопе Asylum Research Cypher на воздухе, при нормальных условиях и комнатной температуре, в контактном режиме.The study of the strength of cell adhesion and the relief of the inner surface of the prosthesis was carried out using atomic force microscopy. The samples were fixed in 4% paraformaldehyde solution and then dried. The study was carried out on an Asylum Research Cypher atomic force microscope in air, under normal conditions and at room temperature, in contact mode.
Было выявлено, что при заселении сосудистых протезов КФЭК в условиях ламинарного потока формируется целостный эндотелиальный монослой (Фиг. 3).It was found that when CPEC vascular prostheses are populated under laminar flow conditions, an integral endothelial monolayer is formed (Fig. 3).
Оценка количества и жизнеспособности КФЭК на внутренней поверхности персонифицированного сосудистого протеза.Evaluation of the quantity and viability of CPEC on the inner surface of a personalized vascular prosthesis.
Образцы сосудистого протеза окрашивали ядерными красителями Hoechst 33342 (Sigma-Aldrich, США) в сочетании с бромистым этидием и анализировали с помощью инвертированого флуоресцентного микроскопа Axio Observer.Zl (Carl Zeiss, Германия).Samples of the vascular prosthesis were stained with nuclear dyes Hoechst 33342 (Sigma-Aldrich, USA) in combination with ethidium bromide and analyzed using an inverted fluorescent microscope Axio Observer.Zl (Carl Zeiss, Germany).
Анализ результатов продемонстрировал полное сохранение жизнеспособности КФЭК на внутренней поверхности сосудистых протезов (Фиг. 4).The analysis of the results demonstrated the complete preservation of the viability of CPEC on the inner surface of the vascular prostheses (Fig. 4).
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021112402A RU2764051C1 (en) | 2021-04-28 | 2021-04-28 | Method for in vitro production of a personalized cell-populated vascular prosthesis |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021112402A RU2764051C1 (en) | 2021-04-28 | 2021-04-28 | Method for in vitro production of a personalized cell-populated vascular prosthesis |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2764051C1 true RU2764051C1 (en) | 2022-01-13 |
Family
ID=80040302
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2021112402A RU2764051C1 (en) | 2021-04-28 | 2021-04-28 | Method for in vitro production of a personalized cell-populated vascular prosthesis |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2764051C1 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20040115176A1 (en) * | 2002-10-23 | 2004-06-17 | Swartz Daniel D. | Fibrin-based tissue-engineered vasculature |
GB2489081B (en) * | 2010-03-16 | 2013-03-27 | Organovo Inc | Multilayered vascular tubes |
RU2702239C1 (en) * | 2019-06-25 | 2019-10-07 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний" (НИИ КПССЗ) | Technology of producing functionally active biodegradable small-diameter vascular prostheses with drug coating |
-
2021
- 2021-04-28 RU RU2021112402A patent/RU2764051C1/en active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20040115176A1 (en) * | 2002-10-23 | 2004-06-17 | Swartz Daniel D. | Fibrin-based tissue-engineered vasculature |
GB2489081B (en) * | 2010-03-16 | 2013-03-27 | Organovo Inc | Multilayered vascular tubes |
RU2702239C1 (en) * | 2019-06-25 | 2019-10-07 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний" (НИИ КПССЗ) | Technology of producing functionally active biodegradable small-diameter vascular prostheses with drug coating |
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
DANIEL D. SWARTZ et al. Engineering of fibrin-based functional and implantable small-diameter blood vessels. Am J Physiol Heart Circ Physiol 288: p.1451-1460, 2005. doi:10.1152/ajpheart.00479.2004, весь текст. * |
СЕНОКОСОВА Е.А. Разработка и исследование биодеградируемых сосудистых протезов малого диаметра, модифицированных rgd-пептидами. Авто диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук. Кемерово, 2020. * |
СЕНОКОСОВА Е.А. Разработка и исследование биодеградируемых сосудистых протезов малого диаметра, модифицированных rgd-пептидами. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук. Кемерово, 2020. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Boland et al. | Electrospinning collagen and elastin: preliminary vascular tissue engineering | |
Devillard et al. | Vascular tissue engineering: challenges and requirements for an ideal large scale blood vessel | |
Shaikh et al. | Fibrin: a natural biodegradable scaffold in vascular tissue engineering | |
Ju et al. | Electrospun vascular scaffold for cellularized small diameter blood vessels: A preclinical large animal study | |
Tschoeke et al. | Tissue-engineered small-caliber vascular graft based on a novel biodegradable composite fibrin-polylactide scaffold | |
Chu et al. | Enhanced growth of animal and human endothelial cells on biodegradable polymers | |
AU2011341420B2 (en) | Tissue engineered blood vessels | |
US9290742B2 (en) | Tissue engineered blood vessel | |
Zhao et al. | A novel strategy to engineer small‐diameter vascular grafts from marrow‐derived mesenchymal stem cells | |
CN111714706B (en) | Vascular stent capable of promoting vascular cell proliferation and secreting extracellular matrix, preparation method of vascular stent and active artificial blood vessel | |
EP3678714B1 (en) | Tissue-engineered medical device | |
Jafarihaghighi et al. | Current challenges and future trends in manufacturing small diameter artificial vascular grafts in bioreactors | |
Sumanasinghe et al. | New trends in biotextiles—the challenge of tissue engineering | |
Chen et al. | Recent progress in vascular tissue-engineered blood vessels | |
RU2764051C1 (en) | Method for in vitro production of a personalized cell-populated vascular prosthesis | |
Piterina et al. | Extracellular matrices as advanced scaffolds for vascular tissue engineering | |
US20130196438A1 (en) | Tissue engineered blood vessels | |
JP4898068B2 (en) | Method for making recipient-specific tissue graft or tissue implant | |
Higuera et al. | PEOT/PBT polymeric pastes to fabricate additive manufactured scaffolds for tissue engineering | |
US10149865B2 (en) | Method for preparing a biological tissue construct and use of autologous cells obtained specifically | |
Matsushita et al. | Cardiac Tissue Creation with the Kenzan Method | |
Stekelenburg | Strain-based optimization of human tissue-engineered small diameter blood vessels | |
Marr | Small-Diameter Vascular Grafts | |
McClure | Optimization of a tri-layered vascular graft: The influence of mechanical and cellular properties | |
McClure | Optimization of a Tri-layered Vascular Graft: The Influence of Cellular and Mechanical Properties |