本研究通過3D生物打印技術(shù)構(gòu)建預(yù)血管化組織,發(fā)現(xiàn)改變聚己內(nèi)酯(PCL)框架大小可產(chǎn)生不同限制力,進(jìn)而調(diào)控血管分支形成;其中Yes相關(guān)蛋白(YAP) 參與該調(diào)控過程,且細(xì)胞-纖維蛋白條帶寬度、力的大小與血管分支數(shù)量存在密切關(guān)聯(lián),表明工程化皮膚組織的血管化是可通過精確機(jī)械控制實現(xiàn)的復(fù)雜過程。

詳細(xì)總結(jié):

1.研究背景與目的

• 背景:血管網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量是皮膚移植成功的關(guān)鍵,組織工程皮膚因血管化不足易出現(xiàn)缺血壞死,而預(yù)血管化是建立高質(zhì)量血管網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。現(xiàn)有技術(shù)難以精準(zhǔn)調(diào)控血管分支形成,機(jī)械刺激被認(rèn)為是潛在調(diào)控手段。

• 目的:利用 3D 生物打印技術(shù),通過改變框架產(chǎn)生的限制力,調(diào)控血管分支形成,建立可控血管分支的組織模型。

2.材料與方法

3.實驗結(jié)果

• 血管分支與 PCL 框架的關(guān)系:

• L6 組(6mm 框架):血管呈弧形排列,分支數(shù)量多(圖 2e)。

• L10 組(10mm 框架):血管接近線性排列,分支少或無(圖 2c、2e)。

• 對照組:血管分支無規(guī)律,長度和分支數(shù)顯著低于 L6 組(圖 2d、2e)。

• 限制力測量:

• 采用彈簧常數(shù) 51.7μN(yùn)/μm 的微彈簧裝置,L6 組限制力約 2.4mN,L10 組約 4.3mN(圖 9c)。

• YAP 的調(diào)控作用:

• YAP 下游基因 CYR61 在 L6 組 6h 時表達(dá)高于對照組,verteporfin 處理后顯著降低(圖 5e)。

• verteporfin 組血管分支數(shù)顯著多于未處理組,F-actin 排列與限制力方向不一致(圖 5c、5d)。

• 組織特性:

• H&E 染色:L6 組組織厚度顯著大于對照組,隨 PCL 框架增大,厚度增加(圖 6a)。

• Masson 染色:L6 組膠原成熟度優(yōu)于對照組,框架越大膠原越成熟(圖 6b)。

• SEM:L6 和 L10 組細(xì)胞排列更緊密,接近正常真皮結(jié)構(gòu),L10 組細(xì)胞沿力方向排列(圖 8)。

• 動物實驗:移植 10 天后,新生血管有灌注功能,人源 ECs 形成的管腔中檢測到紅細(xì)胞和 FITC - 葡聚糖(圖 S1)。

4.討論

• 機(jī)械力通過影響細(xì)胞骨架(如 F-actin)調(diào)控血管形成,框架大小決定力分布,進(jìn)而影響分支數(shù)量。

• YAP 作為機(jī)械信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子,通過下游基因參與血管分支調(diào)控,與 F-actin 活性相關(guān)。

• 本模型為 3D 打印血管化組織提供新方法,但組織力學(xué)性能需改進(jìn)以滿足臨床需求,力的大小與分支數(shù)量的關(guān)系需進(jìn)一步研究。

5.結(jié)論

• 通過改變 3D 生物打印的PCL 框架大小可調(diào)控限制力,進(jìn)而控制血管分支形成。

• YAP參與血管分支的調(diào)控過程。

• 細(xì)胞 - 纖維蛋白條帶寬度、限制力大小與血管分支數(shù)量存在密切關(guān)聯(lián),該技術(shù)為構(gòu)建可控血管網(wǎng)絡(luò)的組織工程產(chǎn)品奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵問題

問題:本研究中如何通過3D生物打印技術(shù)實現(xiàn)對血管分支形成的調(diào)控?
答案:研究通過改變聚己內(nèi)酯(PCL)框架的大小產(chǎn)生不同的限制力(框架越小,力分布呈弧形,分支多;框架越大,力越大,血管越接近線性,分支少),將細(xì)胞-纖維蛋白條帶固定于框架中,利用細(xì)胞收縮與框架抵抗產(chǎn)生的限制力,實現(xiàn)對血管分支形成的調(diào)控,無需額外設(shè)備。

問題:Yes相關(guān)蛋白(YAP)在血管分支形成調(diào)控中扮演什么角色?
答案:YAP參與血管分支形成的調(diào)控:L6組YAP下游靶基因CYR61表達(dá)高于對照組;使用YAP抑制劑(verteporfin)后,CYR61表達(dá)降低,血管分支數(shù)顯著增加,F-actin和血管生長方向與限制力方向不一致,表明YAP通過轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)械信號,影響下游基因表達(dá),進(jìn)而調(diào)控血管分支形成。

問題:本研究構(gòu)建的預(yù)血管化組織在臨床應(yīng)用中有何潛力與挑戰(zhàn)?
答案:潛力在于可通過精確機(jī)械控制構(gòu)建具有高質(zhì)量血管網(wǎng)絡(luò)的組織工程皮膚,移植后能快速與宿主血管吻合,提高移植存活率,且可用于血管相關(guān)藥物研發(fā)。挑戰(zhàn)在于當(dāng)前組織機(jī)械性能不足,難以直接應(yīng)用于臨床;此外,力的大小與血管分支數(shù)量的具體量化關(guān)系仍需深入研究,以優(yōu)化組織構(gòu)建參數(shù)。

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