AHM | 通過3D打印肺動脈閉鎖模型進行內皮細胞反應仿真，有效減少血管再狹窄

埃默里大學醫(yī)學院與佐治亞理工學院的Vahid Serpooshan和Holly Bauser-Heaton教授團隊在生物材料領域期刊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，應用DLP生物3D打印技術構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模型進行內皮細胞對微環(huán)境反應的仿真，研究復雜的心血管疾病，并可以直接改善血流紊亂疾病的手術計劃的臨床治療。

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)導管再通或外科血管吻合術治療。然而，細胞對血管吻合或再通的反應在很大程度上是未知的，目前的技術依賴于恢復而不是優(yōu)化流入閉鎖動脈的流量。

對吻合后細胞反應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 水凝膠結構中進行生物打印，以模擬重建的血管間連接。PA 模型接種人內皮細胞并以生理流速灌注以形成內皮。

粒子圖像測速法和計算流體動力學模型在量化生物打印動脈內的流速和壁剪切應力方面表現(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顯著影響內皮細胞活力、增殖、排列、微毛細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雜的心血管疾病，并可以直接改善血流紊亂疾病的手術計劃的臨床治療。

主要實驗結果

生物3D打印PA體外模型：研究者采用DLP打印機，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結構的流動血液動力學：PIV 流動可視化技術與 CFD 建模工具相結合，提供了一種強大的方法來分析和量化生物打印 PA 幾何結構中已建立的肺連接內的血液（或培養(yǎng)基）灌注?？傮w而言，CFD 結果與速度和 WSS 的 PIV 測量和計算具有可接受的一致性，突出了 CFD 模擬對于有效預測和評估設計參數(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)個性化的手術計劃平臺，以體外建模為指導，并通過計算優(yōu)化方法有效地探索各種吻合場景，并確定最佳的術后流動特性。

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

文章總結

基于最先進的 3D 生物打印和生物反應器技術的多用途可灌注血管化組織平臺可用于復雜血管閉鎖的建模和治療計劃。在這個模型中，我們將人類內皮細胞納入生物打印設計，以實現(xiàn)簡化的基于細胞的血管模擬。這些模型還可以大量可靠地進行生物打印，以進行具有統(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)能夠促進對血管狹窄治療在手術和經(jīng)導管干預開發(fā)、藥物治療和繪制細胞相互作用方面產(chǎn)生積極的轉化影響。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后影響的重要參考依據(jù)。

參考文獻

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