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血管工程的突破 以厘米级生长的血管功能网络

当某人患有致命疾病或维持危及生命的伤害时,移植或移植新组织可能是最佳或唯一的治疗选择。移植器官,皮肤移植物和其他部位需要血管以富含血液的方式运送血液,但对于组织工程师和再生医学专家来说,在实验室的大组织内制作功能性血管网络一直是一项重大挑战。

现在,特拉华大学的一个研究小组开创了一种方法,用于培养与人类相关的自组装,功能性血管网络。Jason Gleghorn和他的同事是第一个使这个系统在这个规模上工作的人,他们的结果最近发表在Biomaterials期刊上。特拉华大学生物医学工程助理教授格莱霍恩研究了胚胎在发育过程中如何构建组织和器官,目的是利用这些知识来定义新的再生医学策略。虽然其他团体制造了跨度为毫米的血管网络,但UD系统可以跨越厘米尺度,这是功能性组织替换所必需的。随着更多的发展和完善,Gleghorn的微流体系统有朝一日可用于生长血管,用于组织和器官移植到人体。

如何建立血管网络

该团队将人体血管细胞嵌入由胶原蛋白制成的凝胶中,胶原蛋白是一种在皮肤和关节等结缔组织中发现的蛋白质。目标是确定使细胞生长,繁殖和相互连接所需的物理条件,以便血管网络自行组装。制造血管网络是一项棘手的工作,因为该系统并不总能表现出调查人员的期望。在他的博士培训期间,Gleghorn是第一个团队的一员,该团队开发了使用微流体技术为组织工程创建图案化血管网络的技术。

“作为一名工程师,我们可以说我们认为细胞需要相距甚远,或者血管需要具有一定的大小和间距,”Gleghorn说。“我们可以为细胞创造一个非常精确的环境和结构,但问题在于生物学不会那样工作。细胞会重塑一切。它们会改变形状和大小,相互推拉,它们嵌入的材料重新排列我们认为他们需要的“完美”家园。现实是我们需要设计能够促使细胞重塑自身和环境以产生功能组织的系统。“相反,Gleghorn的小组问道:“我们需要的系统的基本初始起点是什么,然后我们可以将它踢向正确的方向以使其发展并构建自己的架构,类似于您的身体在发展?”他说。

例如,在特拉华生物技术研究所使用强大的共聚焦显微镜,该小组发现胶原凝胶的密度或硬度影响了悬浮在其中的细胞的表现,最终影响血管的大小和连通性。“它看起来有点像Jell-O悬浮果实的假日甜点,”胶原蛋白凝胶中细胞的Gleghorn说。“你有一堆细胞随机分布在整个凝胶体内,如果稀疏分布,它们很难相互交流并形成血管连接。它们使用的语言是化学信号和物理军队。”关键是找到刚度的最佳点,足够坚硬,以便相邻的细胞可以与材料相互作用,但不会太僵硬,以至于细胞不能移动。

该团队还发现,通过以特定方式扰乱他们的系统,他们可能会影响组装下的船舶网络的大小和形状。“从较大的血管到更小的微血管,我们现在可以用最初的起始参数来调整血管网络结构,”Gleghorn说。这意味着新系统可以应用于在体内深处形成较大的血管,再到微小的毛细血管,指尖上的青少年血管。Gleghorn的研究小组还发现,他们实验室培养的血管是可灌注的,这表明血液可以通过它们而不会从血管中泄漏到周围的凝胶中。血管网络也可以形成各种形状的凝胶,这意味着该系统可用于在具有复杂形状的组织中构建血管网络,例如用于填充膝盖的半月板软骨或用于烧伤患者的大型皮肤移植物。

除了Gleghorn,新论文的作者还包括Joshua Morgan,他是UD的前博士后学者,现在是加州大学河滨分校的助理教授。Jasmine Shirazi,生物医学工程专业的研究生;Erica Comber,前本科研究助理,于2017年获得UD生物医学工程荣誉学位,现在正在卡内基梅隆大学攻读博士学位。以及在德国活跃的骨科技术服务有限公司的研发主管Christian Eschenburg,他在Gleghorn的实验室做了研究,作为Fraunhofer-UD研究生交换项目的一部分。这项工作部分得到了美国国立卫生研究院,国家科学基金会,特拉华大学研究基金会,橡树岭联合大学拉尔夫大学的资助。

现在,Gleghorn的小组正在更多地了解血管网络是如何形成的,以便他们可以改进他们的系统。Gleghorn与化学工程的William L. Friend主席Babatunde Ogunnaike正在制定数学公式,以描述血管在鸡蛋中发育鸡胚时如何形成和重塑。“然后我们计划将数学和系统工程与生物学 - 分子和信号通路 - 结合起来 - 我们知道,并将其应用于这些3D组织工程模型,以制造更复杂的分层血管网络”格莱霍恩说。该项目得到了特拉华大学研究基金会的奖励。

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