Los injertos vasculares de ingeniería tisular se transforman en neovasos autólogos con función biomimética
Historia natural del desarrollo de injertos vasculares de ingeniería tisular. (A) El andamio TEVG se fabricó con fibras de PGA que se tejieron en un tubo (izquierda) y se recubrieron en la superficie interior y exterior con un PCLA (derecha). B) Las imágenes SEM ampliadas del andamio demostraron capas de esponja de PCLA que rodeaban las fibras de PGA delineadas con una línea de puntos blanca. Barras de escala 1 mm a la izquierda, 100 m a la derecha. C) Reconstrucciones 3D representativas de un TEVG (resaltado en amarillo) durante su implantación de 2 años como injerto de interposición IVC en un modelo de oveja. D) Las imágenes histológicas H&E representativas demostraron cambios característicos en TEVG durante el transcurso de 1 año. Barra de escala 4mm. TEVG: injerto vascular de ingeniería tisular, PGA: ácido poliglicólico, PCLA: policaprolactona-lactida, SEM: microscopio electrónico de barrido, IVC: vena cava inferior. Communications Medicine, doi.org/10.1038/s43856-021-00063-7
Los injertos vasculares de ingeniería tisular (TEVG) pueden mejorar el tratamiento quirúrgico de bebés y niños que requieren cirugía cardíaca congénita, mediante la creación de conductos vasculares funcionales con capacidad de crecimiento. En un nuevo informe publicado ahora en Communication Medicine, Kevin G. Blum, Jacob C. Zbinden, Abhay B. Ramachandra y un gran equipo de investigadores multidisciplinarios y multiinstitucionales utilizaron un enfoque experimental computacional integrador para comprender la historia natural de la formación de neovasos. en un gran modelo animal preclínico. Durante los experimentos, combinaron estudios de implantación en animales grandes con imágenes e histología in vivo junto con métodos computacionales de crecimiento y remodelación. Los resultados pueden proporcionar información sobre la remodelación de TEVG (injerto vascular de ingeniería tisular), con implicaciones importantes para la traducción clínica para niños con cardiopatías congénitas.
Corrección de defectos congénitos del laboratorio a la clínica
La cirugía cardíaca congénita tiene como objetivo corregir defectos congénitos y requiere el desarrollo de vasos sanguíneos artificiales conocidos como injertos vasculares. El potencial para desarrollar un conducto vascular con capacidad de crecer a medida que el paciente se desarrolla es muy prometedor en el campo de la cirugía cardíaca congénita avanzada. Actualmente, los pacientes normalmente superan un injerto sintético y requieren cirugía adicional. Mediante el uso de la ingeniería de tejidos, los bioingenieros pueden formar una solución prometedora a este problema mediante la creación de un conducto vascular que crece con el paciente para mitigar el crecimiento excesivo somático. Los resultados de los estudios clínicos y preclínicos en curso en el campo han confirmado la posibilidad de formar conductos vasculares vivos con TEVG para explorar el potencial de crecimiento biológico. Si bien varios grupos han avanzado en la traducción clínica de TEVG, aún deben aprobarse en los Estados Unidos. En este trabajo, el equipo de investigadores llevó a cabo una serie de experimentos computacionales y de laboratorio para comprender cómo los TEVG (injertos vasculares de ingeniería tisular) se convirtieron en vasos sanguíneos completamente funcionales. Durante los experimentos, mostraron la presencia de dos fases de cambios en el TEVG después de la implantación, incluida una fase temprana de inflamación y una última fase de remodelación de neotejido (tejido nuevo) del andamio mediada por mecanismos. Los vasos sanguíneos resultantes mostraron la capacidad de crecer y responder al flujo sanguíneo, al igual que los propios vasos sanguíneos del cuerpo. Los resultados brindan información sobre el proceso de transformación de TEVG en vasos sanguíneos funcionales, con implicaciones de transferencia técnica a la práctica clínica.
Cambios morfométricos durante la formación y desarrollo de neotejidos. A) Imágenes de ultrasonido intravascular (IVUS) representativas de TEVG, con el lumen delineado en verde y el tamaño TEVG original superpuesto como referencia en amarillo. Barra de escala de 5 mm. B) La remodelación en los TEVG se produjo a través de dos procesos principales, la remodelación hacia adentro (azul) con una disminución del diámetro externo y el crecimiento intramural (rojo) con un engrosamiento de la pared del vaso. C) Cuantificación de los cambios en el diámetro interior y exterior de TEVGs en el modelo de oveja medido por IVUS. D) La tinción tricrómica representativa de gran aumento demostró un crecimiento intramural a través de la formación de tejido inflamatorio y la formación de neotejido vascular, seguido de un posterior adelgazamiento mural a medida que el andamio se degradaba y el neotejido inflamatorio disminuía, lo que resultaba en la creación de un neovaso. Barra de escala 500m. Datos mostrados como media+/-SD. IVUS: ultrasonido intravascular, TEVG: injerto vascular de ingeniería tisular. Communications Medicine, doi.org/10.1038/s43856-021-00063-7 El modelo computacional
El equipo de investigación construyó el modelo computacional sobre la base de más de una década de experiencia en el modelado del crecimiento y remodelación de vasos nativos, en respuesta a estímulos mecanobiológicos e inmunobiológicos cambiantes. Dado que el modelo TEVG se basa en un modelo existente desarrollado originalmente para describir y predecir el comportamiento de los vasos nativos, las modificaciones al modelo en relación con la biodegradación del andamio llevaron a la hipótesis de que los TEVG pueden transformarse en un neovaso que imita a los vasos sanguíneos nativos tras la degradación del andamio. Durante las simulaciones, Blum et al. rastreó la densidad de masa de cada constituyente estructuralmente significativo de la pared, incluido el polímero, las células musculares lisas y las fibras de colágeno a lo largo del tiempo a través de varios pasos de cuasiequilibrio e identificó las densidades de masa de estos constituyentes en los producidos a través de procesos mecanobiológicos e inmunobiológicos. Simularon cuatro estudios de casos y clasificaron el comportamiento de los TEVG en dos períodos, el primero se refirió al período de formación de neotejido influenciado por la respuesta inmune del material del andamio, seguido por la remodelación de los neovasos que ocurrió después de la degradación del andamio. Un resultado clave del modelo destacó cómo el crecimiento y la remodelación de los neovasos imitaban la dinámica puramente mecanomediada en los vasos nativos.
Caracterización de la formación de neovasos
Cambios hemodinámicos a lo largo de la formación de neovasos. A) Modelos anatómicos 3D de TEVG a 1 semana, 6 semanas y 52 semanas después de la implantación de TEVG con mapas representativos de magnitud de velocidad (flujo máximo), presión y esfuerzo cortante de la pared (promediados durante el ciclo cardíaco), medidos por simulaciones FSI . Una sección transversal correspondiente muestra el flujo a través de una porción del volumen TEVG (línea de puntos) y su espesor luminal correspondiente. Tenga en cuenta el aumento en la magnitud de la velocidad en los puntos de tiempo, la disminución en el diámetro y la longitud de 1 semana a 6 semanas y los patrones de flujo que fueron el resultado de los cambios geométricos. Desviación estándar promedio del área de la sección transversal del lumen (B), grosor de la pared del vaso (C), tensión de cizallamiento de la pared promediada en el tiempo (D) y tensión de Cauchy (promediada durante el ciclo cardíaco) (E) que se muestra a lo largo de la longitud normalizada del injerto para cada punto de tiempo. La flecha de proximal a distal indica la dirección del flujo. TEVG: injertos vasculares de ingeniería tisular, FSI: interacción fluidoestructura. Communications Medicine, doi.org/10.1038/s43856-021-00063-7
Los científicos desarrollaron los andamios utilizando fibras de ácido poliglicólico (PGA) tejidas en un tubo y recubiertas con un copolímero 50:50 de policaprolactona y poli-L- lactida para formar una esponja porosa. El andamio diseñado podría disolverse por hidrólisis. Tras la implantación en un modelo de oveja, el equipo notó cambios morfológicos en el período inicial de 26 semanas, seguido de una degradación completa del andamio a las 52 semanas para dar como resultado un neovaso, que se parecía mucho a un vaso sanguíneo nativo. Sobre la base de imágenes de ultrasonido intravascular en serie a lo largo de 52 semanas posteriores a la implantación, el equipo observó información adicional sobre la morfología de los TEVG en evolución, junto con evaluaciones histológicas de explantes en períodos de tiempo específicos de interés. A continuación, el equipo realizó estudios de biodegradación in vitro e in vivo de los neovasos durante el crecimiento y la remodelación para examinar la disminución de la masa del material, que originalmente proporcionaba protección contra el estrés y estímulos inflamatorios. Observaron las tasas de biodegradación en solución tamponada de fosfato hasta 70 grados centígrados y el marco de tiempo dinámico de biodegradación in vitro e in vivo, respectivamente. Los estudios en el laboratorio mostraron una conformidad progresiva del andamio durante la degradación del polímero. Los científicos también examinaron la inflamación inducida por andamios in vivo mediante la observación de la presencia de marcadores de inflamación y atribuyeron las propiedades biomecánicas de TEVG al comportamiento del material y los constituyentes del neotejido.
El modelo computacional predice la formación de neovasos TEVG. A) Modelado G&R computacional de la formación de neotejido TEVG que demuestra los efectos combinatorios de la inflamación y la formación y remodelación de neotejido mecanomediadas previstas para el injerto probado experimentalmente (izquierda). Resultados adicionales del modelado computacional para casos teóricos con ausencia de una respuesta inmunitaria (centro a la izquierda), solo una respuesta inmunitaria (centro a la derecha) y falta de mecanomediación para la producción de neotejidos (derecha). B) Gráfico de remodelación interna frente a crecimiento intramural, con cambios a lo largo del tiempo demostrados por flechas desde el origen. C) Comparación de la predicción de modelos computacionales de neotejido inflamatorio y mecánico con hallazgos histológicos. D) Predicción del espesor mediada por estrés y (E) predicción del área luminal mediada por estrés basada en mediciones hemodinámicas y morfológicas tomadas de un estudio de hemodinámica computacional y la suposición de que las perturbaciones en el flujo y la presión son proporcionales a sus valores homeostáticos. Cortante perturbado y esfuerzo circunferencial calculados utilizando las constantes de proporcionalidad y los cambios de espesor y radio resultantes inferidos. Los valores nativos de IVC de 52 semanas se tomaron como valores homeostáticos. Los valores medidos +/- desviación estándar se muestran a través de marcadores circulares. Todos los valores se calcularon al 77 % de la distancia desde la anastomosis proximal a la distal, donde la estenosis se produce habitualmente en ovejas de 6 semanas. TEVG: injerto vascular de ingeniería tisular, G&R: crecimiento y remodelación, IVC: vena cava inferior. Communications Medicine, doi.org/10.1038/s43856-021-00063-7
Hemodinámica y análisis de neotejidos
Blum et al. luego evaluó los efectos de la evolución de los andamios de neovasos y sus cambios morfológicos en la hemodinámica mediante la realización de simulaciones computacionales específicas del sujeto y mapas 3D calculados de los principales índices hemodinámicos para crear modelos anatómicos 3D de TEVG después de la implantación. Las simulaciones destacaron la historia natural del desarrollo del andamio in vivo a partir del desarrollo de estenosis evidenciado por un marcado estrechamiento del área de la sección transversal del lumen, que se revirtió en 52 semanas. Análisis posteriores demostraron la importancia de la extensión y el momento de la formación de neotejidos mediada por sistemas inmunitarios y mecánicos durante la evolución del andamio. Con base en las simulaciones, Blum et al. sugirió que el crecimiento y la remodelación después de la degradación del andamio producirían progresivamente un neovaso que imita a los vasos nativos. A las 52 semanas después de la implantación, mediante microscopía electrónica de barrido de superficie, observaron una cobertura luminal continua de las células endoteliales y, mediante tinción inmunofluorescente, visualizaron la confluencia de células endoteliales. Los neovasos también exhibieron respuestas contráctiles similares a los vasos nativos en respuesta a la estimulación bioquímica, para sugerir estructuras biomiméticas similares a las nativas con función bioinspirada.
Los neovasos TEVG demuestran crecimiento biológico. A) Imágenes representativas del crecimiento de ovejas durante el tiempo de implantación. B) Cuantificación del peso de los animales de control implantados y no implantados de TEVG durante la implantación a largo plazo. C) Imágenes de angiografía 3D representativas de una oveja durante el tiempo de implantación. VCI nativa de color amarillo, TEVG de color azul oscuro y estructuras anatómicas circundantes de color azul claro. Medidas tomadas de cada imagen representativa que se muestra a continuación. D) Cuantificación del volumen de TEVG a lo largo del tiempo. E) Imágenes representativas de TEVG de injerto medio en el área mínima y máxima durante un ciclo cardíaco medido por MRI, a 1 semana (izquierda) y 52 semanas (derecha). F) Cuantificación de la deformación del área de TEVG y IVC adyacente a la semana 1 y 52 después de la implantación. G) Longitud de TEVG y cuerpo vertebral medida por angiografía. Los cuadros rojos indican el tiempo hasta la degradación completa de TEVG. Datos mostrados como media+/-SD. Significancia estadística en los datos de deformación del área determinada mediante la prueba de Mann-Whitney para la prueba de varianzas desiguales. *