AHM | 通過3D打印肺動脈閉鎖模型進(jìn)行內(nèi)皮細(xì)胞反應(yīng)仿真，有效減少血管再狹窄

埃默里大學(xué)醫(yī)學(xué)院與佐治亞理工學(xué)院的Vahid Serpooshan和Holly Bauser-Heaton教授團(tuán)隊在生物材料領(lǐng)域期刊Advanced Healthcare Materials發(fā)表文章A 3D Bioprinted In Vitro Model of Pulmonary Artery Atresia to Evaluate Endothelial Cell Response to Microenvironment，應(yīng)用DLP生物3D打印技術(shù)構(gòu)建肺動脈閉鎖體外模型，利用粒子圖像測速法和計算流體動力學(xué)模型進(jìn)行內(nèi)皮細(xì)胞對微環(huán)境反應(yīng)的仿真，研究復(fù)雜的心血管疾病，并可以直接改善血流紊亂疾病的手術(shù)計劃的臨床治療。

文章簡介

由于先天畸形或冠狀動脈閉塞，血管閉鎖通常通過經(jīng)導(dǎo)管再通或外科血管吻合術(shù)治療。然而，細(xì)胞對血管吻合或再通的反應(yīng)在很大程度上是未知的，目前的技術(shù)依賴于恢復(fù)而不是優(yōu)化流入閉鎖動脈的流量。

對吻合后細(xì)胞反應(yīng)的深入理解可能會有效減少血管再狹窄現(xiàn)象。這篇文章構(gòu)建了一個體外模型，用于模擬肺動脈 (PA) 的吻合和程序規(guī)劃，以減少血管再狹窄。分叉的 PA 在 3D 水凝膠結(jié)構(gòu)中進(jìn)行生物打印，以模擬重建的血管間連接。PA 模型接種人內(nèi)皮細(xì)胞并以生理流速灌注以形成內(nèi)皮。

粒子圖像測速法和計算流體動力學(xué)模型在量化生物打印動脈內(nèi)的流速和壁剪切應(yīng)力方面表現(xiàn)出密切的一致性。這些數(shù)據(jù)可以用于識別剪切應(yīng)力變化的最高值、易于狹窄的區(qū)域。

血管幾何形狀和血流動力學(xué)顯著影響內(nèi)皮細(xì)胞活力、增殖、排列、微毛細(xì)血管形成和代謝生物特征。這種集成的體外芯片模型（in vitro-in silico）方法建立了一個獨特的平臺來研究復(fù)雜的心血管疾病，并可以直接改善血流紊亂疾病的手術(shù)計劃的臨床治療。

主要實驗結(jié)果

生物3D打印PA體外模型：研究者采用DLP打印機(jī)，使用20%GelMA打印分叉吻合的 PA 閉鎖模型，包含1根未閉鎖血管，1根閉鎖血管和1根與血管吻合的導(dǎo)管。本研究中打印的組織剛度范圍相對高于報告的天然非患病 PA 剛度 (4-20 kPa )，但它與各種患病 PA 模型中報告的一致（50-100kPa）。

PA結(jié)構(gòu)的流動血液動力學(xué)：PIV 流動可視化技術(shù)與 CFD 建模工具相結(jié)合，提供了一種強(qiáng)大的方法來分析和量化生物打印 PA 幾何結(jié)構(gòu)中已建立的肺連接內(nèi)的血液（或培養(yǎng)基）灌注。總體而言，CFD 結(jié)果與速度和 WSS 的 PIV 測量和計算具有可接受的一致性，突出了 CFD 模擬對于有效預(yù)測和評估設(shè)計參數(shù)對流動性能的影響的重要性。這項工作中的選擇性 CFD 研究展示了如何開發(fā)個性化的手術(shù)計劃平臺，以體外建模為指導(dǎo)，并通過計算優(yōu)化方法有效地探索各種吻合場景，并確定最佳的術(shù)后流動特性。

PA模型的生物學(xué)特性：生物分析結(jié)果表明，在流動條件下培養(yǎng)的 PAA 構(gòu)建體中的 HUVEC 表現(xiàn)出比靜態(tài)條件下更有效的代謝。這些結(jié)果表明，包含連續(xù)流動提供了一個更具生理相關(guān)性的微環(huán)境，鼓勵細(xì)胞在經(jīng)歷細(xì)胞生長的同時保持穩(wěn)定的新陳代謝。它還表明，適當(dāng)設(shè)計的工程組織可以概括體內(nèi)組織/器官的生理復(fù)雜性。在未來的工作中，這種分析可以非常有效地設(shè)計和開發(fā)維持理想代謝環(huán)境的喂養(yǎng)策略。

文章總結(jié)

基于最先進(jìn)的 3D 生物打印和生物反應(yīng)器技術(shù)的多用途可灌注血管化組織平臺可用于復(fù)雜血管閉鎖的建模和治療計劃。在這個模型中，我們將人類內(nèi)皮細(xì)胞納入生物打印設(shè)計，以實現(xiàn)簡化的基于細(xì)胞的血管模擬。這些模型還可以大量可靠地進(jìn)行生物打印，以進(jìn)行具有統(tǒng)計意義的多維分析。此外，血管模擬物可以很容易地以仿生流速灌注。我們希望我們在這里的發(fā)現(xiàn)能夠促進(jìn)對血管狹窄治療在手術(shù)和經(jīng)導(dǎo)管干預(yù)開發(fā)、藥物治療和繪制細(xì)胞相互作用方面產(chǎn)生積極的轉(zhuǎn)化影響。特別是該模型可以提供對受影響脈管系統(tǒng)分叉和三叉區(qū)域的血管功能和血流改變的術(shù)后影響的重要參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

Tomov, M. L., Perez,L., Ning, L., Chen, H., Jing, B., Mingee, A., Ibrahim,S., Theus, A. S., Kabboul, G., Do, K., Bhamidipati, S.R., Fischbach, J., McCoy, K., Zambrano, B. A., Zhang,J., Avazmohammadi, R., Mantalaris, A., Lindsey, B.D., Frakes, D., Dasi, L. P., Serpooshan, V., Bauser-Heaton,H., A 3D Bioprinted In Vitro Model of Pulmonary Artery Atresia to EvaluateEndothelial Cell Response to Microenvironment. Adv. Healthcare Mater. 2021,2100968. https://doi.org/10.1002/adhm.202100968