离体 在3D打印生物反应器中对大血管进行灌注培养

摘要

该协议介绍了新开发的3D打印生物反应器的设置和操作，用于灌注中血管 的离体 培养。该系统旨在易于被其他用户采用，实用，价格合理，并适应不同的实验应用，如基础生物学和药理学研究。

摘要

血管疾病是大多数心血管疾病（CVD）的基础，心血管疾病仍然是全球死亡和发病的主要原因。迫切需要有效的手术和药物干预来预防和治疗血管疾病。在某种程度上，翻译模型的缺乏限制了对血管疾病中涉及的细胞和分子过程的理解。 体 外灌流培养生物反应器为在受控动态环境中研究大型动物血管（包括人类）提供了一个理想的平台，结合了 体外 培养的易用性和活组织的复杂性。然而，大多数生物反应器都是定制制造的，因此难以采用，从而限制了结果的可重复性。本文介绍了一种3D打印系统，该系统可以在任何生物实验室中轻松生产和应用，并为其设置提供了详细的协议，使用户能够进行操作。这种创新且可重复的 ex vivo 灌注培养系统可在生理条件下培养血管长达 7 天。我们预计采用标准化的灌注生物反应器将有助于更好地了解大型动物血管中的生理和病理过程，并加速新疗法的发现。

引言

血管壁以反应性稳定状态存在，这确保了对外部刺激（即压力变化、血管收缩剂）和防止血液凝固和炎症细胞浸润的一致非活化表面的作用¹。为了应对衰老和生活方式依赖性刺激以及直接损伤，血管壁会激活重塑过程，例如再狭窄和动脉粥样硬化，这些过程是常见心血管疾病 （CVD） 的已知因素，例如缺血性中风和心肌梗塞²。虽然经皮血运重建和支架置入术等介入方法可用于解决血管疾病的晚期表现，但已知这些方法会引起进一步的血管损伤，通常会导致复发。此外，只有有限的预防和早期解决方案可用。了解维持血管壁稳态并驱动其功能障碍的机制是开发新疗法的核心³.

尽管分子生物学和组织工程不断发展和进步，但动物研究仍然是血管生物学研究的重要组成部分。体内动物研究为血管稳态和病理学的机制提供了丰富的见解;然而，这些程序成本高昂，吞吐量相对较低，并存在重大的伦理问题。此外，小动物对人类血管生理学的代表性很差，而较大的动物实验要昂贵得多，并会产生进一步的伦理考虑^4,5。随着快速老龄化人口对制药和医疗解决方案的需求不断增长，动物使用的缺点被放大，影响了结果的可重复性、可靠性和可转移性，用于患者护理⁶.

体外 系统为研究基本机制提供了一个简化的平台，但未能概括整个组织的复杂性、细胞与细胞外基质之间的相互作用以及机械力，这些都是血管疾病发展的关键决定因素⁷.

对在人工控制环境中维持的整个组织进行的离体研究模拟了体内复杂性，同时实现了相对高通量的研究⁸.鉴于能够密切控制培养条件和环境，离体模型允许进行广泛的复杂研究，并提供合适的替代方案来减少血管生物学中动物程序的使用。静态血管环培养提供了有趣的见解，但未能纳入关键的血流动力学元素⁹。事实上，对离体血管系统的研究提出了与应用于血管壁内细胞的许多动态力相关的特定挑战。管腔流动、湍流、剪切应力、压力和壁变形等刺激会显着影响组织病理生理学^10,11,12。

灌注生物反应器对于研究血管稳态和响应损伤或血流动力学变化的重塑至关重要¹³.此外，灌注培养可用于改善组织工程血管 （TEBV） 的成熟度和耐久性，为血管移植物提供合适的替代方案¹⁴。

市售灌注生物反应器在灵活性和适应性方面受到限制，而且成本高昂。许多现有的内部开发的生物反应器很难在其他实验室中复制，因为描述有限且无法获得特制组件7,8,9,10,11,12。为了克服这些局限性，我们最近开发了一种新的生物反应器（EasyFlow），该反应器生产经济，可容纳各种组织，并能够进行相对简单的修改以适应不同的研究需求¹³。该插件是 3D 打印的，可以安装在标准 50 mL 离心管的盖子上。其模块化设计和 3D 打印制造使其可在不同的实验室中访问和复制，并且易于修改以适应不同的科学需求。该协议描述了生物反应器系统在动脉灌注环境中的组装和基本操作。

研究方案

该协议描述了由两个EasyFlow（生物反应器）插入物组成的系统的组装和使用：一个代表反应室（C），包含灌注的动脉样本，一个用作培养基储液器（R）（图1 和 图2A）。颈动脉采集于英国皮尔布赖特研究所的4-6周龄雄性和雌性仔猪（6-12公斤）。动物程序是根据内政部动物（科学程序）法案（1986年）（ASPA）进行的，并由皮尔布赖特研究所的动物福利和伦理审查委员会（AWERB）批准。这些动物是按照《饲养和照顾动物实务守则》饲养的。所有程序均由个人许可证持有人执行，他们根据项目许可证 PPL70/8852 接受过培训并胜任。仔猪按照ASPA下的附表一方法进行扑杀。

1.刀片制造

1. 使用提供的 3D 模型（补充文件 1）通过 3D 打印制造插入物。
   注意：3D 建模可以轻松更改设计以适应新的应用。替代材料和替代制造技术也可用于生产刀片。由于内部结构复杂，选择性激光烧结和立体光刻是合适的替代方案¹⁵.聚酰胺 12（PA12;见材料表）是一种很好的候选 材料，因为它在液体保留和耐反复热灭菌循环方面具有卓越的性能¹⁶。
2. 使用补充文件 2 中提供的设计，通过激光切割¹⁷ 制造硅垫圈和聚碳酸酯垫圈。
   注意：激光切割很容易外包，是一种廉价的制造方法。垫圈可以由不锈钢制成，为重复使用提供更耐用的部件。所有其他组件均为市售商品。 表1中提供了所需材料的完整清单。这些物品的商业细节包含在 材料表中。

2. 器械灭菌、组装和灌注

1. 按照 表 1 中的说明对所有组件进行灭菌。
2. 在层流条件下，组装两个预制嵌件（步骤1）， 如图1A所示。
3. 按照以下步骤组装灌注系统， 如图 2 所示：
   1. 将两个连接的三通阀连接到储液罐的 R1 端口（介质交换端口）。
   2. 使用装有单向阀（单向阀管）的管子将产生的出口连接到蠕动泵的头部。
   3. 使用配备单向阀的系统管将泵头连接到反应室的 C4 端口。
      注意： 该分支可以选择配备压力传感器，以实现持续监控。
   4. 将反应室端口 C1 连接到软壁管，并将其连接到阻力通道（小内径）。
      注意： 电阻管的长度将极大地影响系统中存在的压力。应进一步检查以确保足够的灌注条件。
   5. 用系统管延伸阻力通道，通过连接到R5处的储液器来创建回流通道并关闭管腔循环回路（图2C）。
   6. 通过系统管将反应室 C3 连接到储液罐 R3 来创建溢流通道。
   7. 通过 R2 连接通风过滤器。
   8. 通过将装有空气和介质的注射器连接到反应室 C6 来创建压力阻尼器。
      注意： 正确的空气介质比将取决于所需的压力阻尼。
4. 用灌注培养基（Dulbecco 改良的 eagle 培养基 [DMEM] + 10% [v/v] 胎牛血清 [FBS] + 1% [v/v] 青霉素-链霉素 + 1% [v/v] 两性霉素 B + 30% [v/v] 葡聚糖;参见 材料表）通过培养基交换端口和储液器灌注系统。
   注意： 灌注系统可降低系统中滞留气泡的风险，并识别任何潜在的泄漏。推荐的培养基体积约为 100-120 mL。使用的体积将取决于用于实验的管路的死体积。

3. 样品采集和制备

1. 收集左右颈总动脉，尽量减少对动脉组织的直接处理¹³.
2. 将组织置于冷运输培养基（DMEM + 20% [v/v] FBS + 2% [v/v] 青霉素 - 链霉素 + 1% [v/v] 两性霉素 B，参见 材料表）中进行转移。
3. 在层流柜中，取出多余的结缔组织并使用手术刀刀片修剪组织的末端。在冷运输介质中洗涤组织两次。
4. 将组织放在轨道振荡器上的运输介质中至少30分钟进行彻底洗涤。
5. 使用两个带刺的鲁尔连接器将动脉的非分支段连接到生物反应器系统，并使用血管粘合（血管硅胶扎带; 表1）。
   注意： 容器粘合提供适当的张力和缩回以固定容器。椭圆形部分可防止组织损伤。
6. 轻轻地将培养基流过动脉以验证通畅性。
7. 将动脉固定到制造的插入物上后，用灌注介质填充反应空间（步骤2.4）。最后，用介质轻轻地填充管腔循环回路，以消除系统中残留的空气。
8. 将反应空间与先前组装的灌注系统（第 2 部分）连接起来，完成循环。
   注意：建议通过对加工组织的免疫组化进行质量检查。这可识别在制备过程中因过度处理而造成的任何损坏。

4. 灌流培养和培养基变化

1. 将灌注系统置于含有5%CO₂ 的37°C培养箱中，然后将其连接到蠕动泵（参见 材料表）
2. 连接任何其他（兼性）采集系统，例如压力传感器（参见 材料表）。
3. 让系统以~10-15 mL/min的低介质流速平衡过夜。
   注意： 需要进行初始实验以确定泵设置、介质流量、系统压力和最佳压力阻尼器/clamps 设置，以确保满足适当的条件。
4. 第二天，逐渐增加流量（+1 rpm/小时，相当于在当前系统中每小时增加~2.5 mL/min），直到达到最终流速（35 mL/min）。定期监控系统是否存在泄漏。
   注意： 要根据蠕动泵速度计算准确的流量，用户必须首先进行充分的泵校准¹⁸。使用公式 （1），可以根据给定时间 （t） 内分配的体积 （V） 计算体积流量 （Q）。为了计算估计的流速 （），我们可以使用先前计算的流速 （Q） 和容器横截面面积 （A），如公式 （2） 所示。
   （一）
   （二）
5. 每 3 天更换一次 50% 的培养基 （~50 mL），将一个装满新鲜培养基的注射器连接到靠近泵的培养基交换端口，将一个空注射器连接到靠近储液器的端口以收集用过的培养基（图 2）。
   注意： 使用两个三通阀作为介质交换端口有助于在介质交换过程中灌注的连续运行。
6. 在实验结束时，通过使用无菌手术剪刀修剪连接到生物反应器的末端，从反应室中收获组织。
7. 拆卸、清洁和消毒系统以备将来使用。

5. 样品分析

1. 将收获的样品在4%多聚甲醛（PFA）中在4°C下固定过夜。
2. 将组织包埋在最佳切割温度（OCT;参见 材料表）¹⁹ 中，并通过浸入液氮冷却的异戊烷中冷冻。
3. 使用低温恒温器获得 3-5 毫米厚度的冷冻切片。
4. 进行免疫组化（苏木精和伊红 [H&E]）和/或免疫荧光。遵循典型的免疫荧光实验方案：
   1. 在室温下用磷酸盐缓冲盐水（PBS）中的20%[v / v]山羊血清封闭切片1小时;参见 材料表）。
   2. 将切片在4°C下与在PBS中以1：50稀释的针对CD31的一代兔抗体孵育过夜（参见 材料表）。
   3. 用PBS洗涤3次，每次5分钟。
   4. 在37°C下与在PBS中1：200稀释的荧光标记的山羊抗兔二抗和在PBS中1：200稀释的α平滑肌肌动蛋白（SMA）直接偶联荧光抗体孵育1小时（参见 材料表）。
   5. 用PBS洗涤3次，每次5分钟。
   6. 在室温下用在PBS中以1：1,000稀释的DAPI染色细胞核10分钟。
   7. 在室温下与0.1%（w / v）苏丹黑（参见 材料表）在70%（v / v）乙醇中孵育10分钟，以减少组织自发荧光。
   8. 用大量的去离子水清洗组织。将载玻片安装在安装介质中。
   9. 用共聚焦激光扫描显微镜对样品进行成像。

讨论

离体 血管灌注系统构成了一个独特的平台，用于在受控条件下研究血管细胞在其天然组织内的功能和行为，从而能够解剖复杂过程，例如损伤后血管重塑²²。然而，大多数报道的生物反应器都是基于定制组件的内部制造系统，通常难以被其他人复制²³.存在替代的商业解决方案，但在设计上缺乏灵活性，并且可能相对昂贵²⁴.

我们开发了一种替代系统，它提供了一个简单、廉价和可重复的平台，可以使用开源 3D 打印技术制造¹³.本文介绍了该系统的设置，以实现最终用户的可重现应用程序。这种设置可以应用压力 （40-180 mmHg）、流速 （6-30 mL/min） 的生理和病理条件，并与模拟血液粘度的培养基结合使用，具有不同程度的剪切应力。

可重复性是科学过程的一个重要方面，因为它使研究人员能够验证他人的发现，并在此基础上加深我们对血管疾病的理解。此外，促进和促进群体之间合作的工具对于推进科学知识至关重要。EasyFlow代表了这种开源、可访问的解决方案的一个例子，这些解决方案可以很容易地被从事血管科学领域及其他领域广泛项目的实验室生产和采用。

我们报告说，这种装置培养物可维持动脉组织活力至少 7 天，并可用于模拟血管疾病的特定步骤。利用这一点，可以模拟生理流速和压力条件¹³。重要的是，由于生产成本低且运行系统所需的培养基量少，这种灌流培养物具有成本效益。

3D设计也可以适应新的应用，并且可以测试新的打印材料。即使在目前的格式下，通过改变接头的长度或鲁尔连接器的孔，样品放置空间也可以很容易地适应不同尺寸的样品。需要注意的是，鉴于该设备的模块化特性和小尺寸，该生物反应器可用于多种设置（图5），并可应用于多重培养，其中多个样品可以在单独的生物反应器中同时暴露于不同的条件下。

预计该系统的使用范围将在未来扩大，以支持不同来源（例如，不同物种）和不同性质（例如，静脉、淋巴管）的血管培养，并可能应用于其他空心组织（例如，气管、肠道）的培养。特别是，研究表明，在恒定灌注中培养组织工程支架有助于细胞在所得组织的构建和成熟中的均匀分布^25,26。此外，与静态方法相比，在灌注中接种血管移植物有助于实现更均匀的细胞化血管腔²⁷。出于这个原因，我们设想将该系统应用于组织工程，以帮助解决当前的挑战，从而允许未来开发可重复的合成血管替代品²⁸。

这里描述的协议提出了一些对流动文化的成功至关重要的重要步骤。建立和监测适当的流动条件并非易事，需要在首次设置时对每个系统进行，以确保培养条件是生理性的。使用压力传感器和超声成像监测流量和压力。另一个关键点是确保组织在培养开始时是可行的和完整的。这需要新鲜的来源，小心处理，并且可以通过组织学分析进行验证。此外，必须在每次实验开始时进行故障排除，以识别任何潜在的细菌污染或培养基泄漏源。

需要强调的是，所描述的灌注系统虽然提供了生理压力和流动条件，但无法完全模拟 体内记录的复杂压力波模式。这种局限性可归因于使用蠕动泵，并且可以使用更专业的设备来解决，以重现先进的血流动力学条件。在生物反应器中培养血管也无法解决免疫系统或与其他器官相互作用至关重要的研究。

综上所述，提出了一种可以模拟生理血流动力学环境的简单3D打印灌注系统，有望为 离体 血管培养的标准化做出贡献。它在定制和应用于长期培养的潜力使其成为促进生理学和病理条件下这些复杂生物系统理解的重要工具。

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
EasyFlow	-	-	3D printed by MultiJet Fusion by Protolabs
PA12 - 3D printing	Protolabs	-	-
Peristaltic pump	Heidolph	PD5201
Culture media components:
Amphotericin B solution, 250 mug/mL in deionized water	Sigma-Aldrich	A2942-20ML
Dextran  from Leuconostoc spp.	Sigma-Aldrich	D8802-25ML
Dulbecco's Modified Eagle's Medium - high glucose, w/ 4500 mg/L glucose, L-glutamine, sodium pyruvate, and sodium bicarbonate	Sigma-Aldrich	D6429-6X500ML
Fetal Bovine Serum	Sigma-Aldrich	F9665
Penicillin-Streptomycin	Sigma-Aldrich	P4333-100ML
Immunostaining materials:
Cryostat	LEICA	CM3050 S
DAPI	Sigma-Aldrich	D9542-10MG
Goat serum	Sigma-Aldrich	G9023-10ML
Goat α-Rabbit Alexa Fluor 488	Thermo Fisher Scientific	A11008
Invitrogen eBioscience Fluoromount G	Thermo Fisher Scientific	50-187-88
MX35 Premier + Microtome Blade	Thermo Scientific	3052835
Optimal Cooling Tempearure Compound - OCT	Agar Scientific	AGR1180
Rabbit α-CD31 antibody	Abcam	ab28364
Sudan Black B	Santa Cruz Biotechnology	SC-203760
X72 SuperFrost Plus Adhesion slide, 25x75x1mm, White, 90° Ground Edges, Frosted Area 20mm, 72/box	Fisher Scientific	J1800AMNZ
α-Smooth Muscle Actin (SMA) Alexa Fluor® 647-conjugated antibody	R&D Systems	IC1420R
Material for laser cutting of components:
Clear Plastic Sheet, 1250 mm x 610 mm x 1 mm (for laser cutting of  washers)	RS Components	258-6590
RS PRO Translucent Rubber Sponge Sheet, 600 mm x 600 mm x 1.5 mm (for laser cutting of  silicone seals)	RS Components	840-5541
Optional pressure monitors:
Pressure sensor	Parker Hannifin	080-699PSX-3P-5
SciPres Pressure Monitor	Parker Hannifin	206-200-M
Pre-sterilized single use plasticware:
0.2 um filter	Sarstedt	70.1114.210
20 mL Sterile syringe	IMS Euro	40004
50 mL Centrifuge Tube	Thermo Fisher Scientific	Sarstedt - 62.547.254
Small components:
Cable ties	-	-
Masterflex Adapter Fittings, Female Luer to Hose Barb	Cole-Parmer	WZ-30800-10	Barb Adaptor
Masterflex Polycarbonate Luer Fittings	Cole-Parmer	AU-45504-84
Nylon Miniature Check Valve	Cole-Parmer	98553-00
RS PRO Translucent Rubber Sponge Sheet, 600 mm x 600 mm x 1.5 mm (for laser cutting of  silicone seals)	RS Components	840-5541
Stainless Steel M2 Hex Nuts	RS Components	527-218
Stainless Steel M2 x 6 mm Screws	RS Components	418-7426
Stainless Steel M5 Hex Nuts	RS Components	189-585
Surgical vessel loop	Vascular Silicone Ties,International Medical Supplies	10-1003
Three-way valves	IMS Euro	91000
Surgical Equipment
Anatomical Forceps, GRAEFE, Curved, 10 cm SKU: BD-07	International Medical Supplies	SKU: BD-07
Micro Forceps, Angled, 0.3 mm, 11 cm	International Medical Supplies	SKU: BD-361
Micro Scissors Noyes, Curved, 12 cm	International Medical Supplies	SKU: FD-12
Troge Surgical Scalpels - Size 23 - Box of 100	International Medical Supplies	63114
Tubing:
Eppendorf silicone tubing (I.D.1.6 mm, O.D.4.7 mm)	Eppendorf	M0740-2396	System tubing
Masterflex PharMed BPT 3-Stop Tubing	ISMATEC	95714-48	Soft wall tubing (for clamp)
RS PRO Transparent Hose Pipe, 0.8 mm ID, Silicone	RS Components	667-8432	Resistance tubing (small inner diameter)
Tygon for food (I.D. 4.8 mm, W.T. 1.6 mm)	Heidolph	525-30027-00-0	One way valve tube
Verderflex Yellow Hose Pipe, 6.4 mm ID, Verderprene	RS Components	125-4042	Pump Tubing