Method Article
Gli impianti di ingegneria tissutale per la chirurgia ricostruttiva raramente progrediscono oltre gli studi preclinici a causa della laboriosa coltura ex vivo , che include componenti di scaffold complessi e costosi. Qui, presentiamo una procedura in un'unica fase progettata per la diversione urinaria con un'impalcatura tubulare accessibile a base di collagene contenente microinnesti autologhi.
Gli interventi chirurgici ricostruttivi sono spesso messi alla prova dalla mancanza di tessuto da innesto. Nel trattamento delle malformazioni urogenitali, la soluzione convenzionale è stata la raccolta di tessuto gastrointestinale per la ricostruzione non ortotopica grazie alla sua abbondanza per ristabilire la normale funzione nel paziente. Gli esiti clinici dopo il riarrangiamento dei tessuti nativi all'interno del corpo sono spesso associati a una morbilità significativa; Pertanto, l'ingegneria tissutale ha un potenziale specifico in questo campo della chirurgia. Nonostante i sostanziali progressi, gli scaffold di ingegneria tissutale non si sono ancora affermati come una valida alternativa al trattamento chirurgico, principalmente a causa dei requisiti costosi e complessi di materiali, produzione e impianto. In questo protocollo, presentiamo un'impalcatura tubulare semplice e accessibile a base di collagene incorporata con particelle di tessuto autologhe organo-specifiche, progettata come condotto per la diversione urinaria. L'impalcatura viene costruita durante la procedura chirurgica primaria, comprende materiali chirurgici comunemente disponibili e richiede competenze chirurgiche convenzionali. In secondo luogo, il protocollo descrive un modello animale progettato per valutare gli esiti a breve termine in vivo post-impianto, con la possibilità di ulteriori variazioni alla procedura. Questa pubblicazione ha lo scopo di illustrare la procedura passo dopo passo, con particolare attenzione all'uso di tessuto autologo e di una forma tubulare.
Nelle malformazioni urogenitali, la chirurgia ricostruttiva può essere necessaria per ripristinare l'anatomia funzionale, spesso su indicazione vitale 1,2. Gli approcci chirurgici convenzionali hanno utilizzato tessuti nativi di altri sistemi di organi (come il tratto gastrointestinale) per ricostruire gli organi malformati o mancanti; tuttavia, spesso con il rischio di gravi complicanze postoperatorie 3,4. Nel caso della diversione urinaria per i pazienti con disfunzione neurogena della vescica che necessitano di cateterismo a lungo termine, l'appendice o i segmenti dell'intestino tenue riadattati vengono spesso utilizzati per costruire un condotto urinario 5,6. L'ingegneria tissutale offre un tessuto di innesto alternativo che può essere adattato per soddisfare le caratteristiche specifiche dell'organo, riducendo così al minimo la morbilità postoperatoria per i pazienti 7,8. Mentre scaffold di vario tipo possono essere impiantati da soli, è stato dimostrato che un'ulteriore cellularizzazione dello scaffold, preferibilmente con cellule autologhe, migliora i risultati rigenerativi dopo l'impianto 9,10,11,12,13,14. Tuttavia, gli scaffold di ingegneria tissutale sono spesso costituiti da componenti complessi e costosi e, in secondo luogo, i requisiti per la coltura cellulare ex vivo e la semina di scaffold sono laboriosi e dispendiosi in termini di risorse. Questi fattori hanno ostacolato la traduzione clinica degli scaffold di ingegneria tissutale nonostante diversi decenni di ricerca in questo settore. Riducendo la complessità e i requisiti monetari e materialistici, gli scaffold di ingegneria tissutale potrebbero essere implementati nella chirurgia moderna su larga scala, affrontando sia le procedure rare che quelle più comuni.
Il collagene è stato precedentemente stabilito come una piattaforma praticabile per l'espansione cellulare e, inoltre, agisce come un bioadesivo favorevole quando si attaccano cellule o tessuti su un'impalcatura per l'impianto chirurgico 15,16,17. Il microinnesto autologo perioperatorio elude la necessità di coltura cellulare ex vivo prelevando il tessuto di interesse durante la procedura primaria e reimpiantandolo direttamente. Tritando il tessuto resecato in particelle più piccole, la superficie e il potenziale di crescita aumentano, consentendo un rapporto di espansione maggiore sullo scaffold18. L'impalcatura a base di collagene non aderisce specificamente alle ricostruzioni urogenitali, ma può teoricamente applicarsi a più aree di ricostruzione di organi cavi.
In questo manoscritto, presentiamo sia un protocollo per la costruzione di uno scaffold tubulare, che combina il collagene con microinnesti uroteliali autologhi incorporati, sia un modello minipig che valuta la fattibilità tecnica e la sicurezza, nonché le prestazioni rigenerative, dello scaffold in vivo. Il modello è stato valutato in 10 maialini femmine adulte utilizzando il protocollo e il metodo qui presentati. Il vantaggio principale dello scaffold è la semplicità del costrutto e l'impianto in un'unica fase, risparmiando al paziente diverse procedure chirurgiche successive. La procedura può essere eseguita in contesti chirurgici convenzionali da personale chirurgico regolare e richiede attrezzature e materiali standard. Il modello animale consente un ambiente controllato per lo studio dell'impianto mentre l'animale ritorna prontamente al comportamento normale, con l'aggiunta della possibilità di implementare variazioni allo scaffold e alla procedura.
Questo esperimento è stato condotto in una struttura sperimentale accreditata AAALAC in conformità con la legislazione europea sull'uso in laboratorio di soggetti animali e dopo l'autorizzazione etica concessa dal Ministero danese dell'Alimentazione e dell'Agricoltura (Rif. n. 2022-15-0201-01206).
1. Procedura chirurgica
2. Costruzione di impalcature
3. Gestione postoperatoria
4. Valutazioni post mortem
In questo studio, l'espansione del tessuto uroteliale in vivo è ottenuta in uno scaffold tubulare a base di collagene. Incorporando lo scaffold con particelle di tessuto autologo, raccolte e lavorate perioperatoriamente, la procedura consente l'impianto di scaffold in un'unica fase senza la necessità di un trattamento immunosoppressivo concomitante dopo l'intervento. La manipolazione chirurgica è resa possibile rinforzando l'impalcatura con una rete e uno stent biodegradabili (Figura 1). Dopo 6 settimane di osservazione, la valutazione macroscopica del tessuto non ha rivelato segni di rigetto o infezione dell'ospite e l'impalcatura tubulare si presenta pervio e non ostruita (Figura 2). Dalle valutazioni istologiche, si osserva un epitelio luminale stratificato di origine uroteliale che copre l'intero scaffold e i resti dei biomateriali di rinforzo sono ancora visibili dopo 6 settimane (Figura 3).
Figura 1: Costruzione e impianto dell'impalcatura. Il tessuto vescicale viene sezionato perioperatoriamente (in alto a sinistra). I microinnesti di mucosa tritata vengono espansi su una rete chirurgica (in alto al centro) e incorporati in collagene solidificato (in alto a destra). Il collagene è stato compresso per espellere l'acqua ed è stato preparato uno stent (in basso a sinistra). L'impalcatura è tubolarizzata attorno allo stent e un tappo ACE è posizionato all'interno dello stent (in basso al centro). La vescica è parzialmente chiusa e il costrutto è infine incorporato nella vescica nel sito originale di escissione del tessuto (in basso a destra). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Valutazione macroscopica dello scaffold. Dopo 6 settimane, l'animale viene soppresso e l'impalcatura (freccia) viene sezionata a livello della pelle (in alto a sinistra). La vescica viene riempita con mezzo di contrasto (giallo) e viene eseguita una TAC per valutare il condotto (freccia) per la pervietà e i segni di formazione di stenosi (in alto a destra). Una cistoscopia viene eseguita attraverso l'uretra per valutare la vescica e l'anastomosi (freccia) dopo 6 settimane (in basso a sinistra). Il condotto viene nuovamente testato per la pervietà inserendo un catetere (freccia) attraverso l'apertura esterna e nella vescica (in basso a destra). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Valutazione microscopica dell'impalcatura. Il condotto resecato viene fissato e vengono eseguite sezioni trasversali ortogonali per valutare il condotto in direzione prossimale-distale. Dopo 6 settimane, il lume del condotto (1) viene valutato per confermare l'epitelizzazione (parte superiore ingrandita). A questo punto sono ancora visibili i resti dello stent biodegradabile (2) e dei materiali a rete (fondo ingrandito). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Questo protocollo presenta una tecnica semplice e accessibile per futuri interventi di chirurgia ricostruttiva. Uno svantaggio comune nell'ingegneria tissutale, compresa l'espansione delle cellule autologhe, sono i costosi e sostanziali passaggi prefatori necessari prima dell'impianto chirurgico. Il microinnesto autologo può semplificare molti di questi passaggi e potenzialmente consentire procedure in un'unica fase. Attraverso l'autotrapianto di entità istologiche complesse, viene indotta la segnalazione paracrina pro-rigenerativa18. In studi precedenti, abbiamo sperimentato che i microinnesti da soli sono vulnerabili agli ambienti fisici a meno che non siano adeguatamente attaccati a un'impalcatura15,19. Il collagene è stato studiato come un ambiente praticabile per l'espansione dei tessuti in vitro ed è stato scelto per il nostro scopo grazie alla sua favorevole biocompatibilità e disponibilità commerciale. L'impalcatura in composito qui presentata è stata precedentemente ottimizzata durante esperimenti in vitro che valutano le variazioni nell'inclusione del microinnesto e nelle concentrazioni di collagene 20,21,22. Prima dei test in vivo, le proprietà dello scaffold relative alla permeabilità, alla biomeccanica e alla degradazione sono state valutate in vitro20. Inoltre, l'espansione tissutale in vivo basata su scaffold è stata precedentemente convalidata in modelli di roditori e conigli21,22.
Il modello chirurgico è stato scelto per valutare una versione tubulare dell'impalcatura, imitando il contesto clinico di una diversione urinaria per la disfunzione neurogena della vescica in pazienti pediatrici o adolescenti. Le fasi critiche includono l'esatta dissezione dei microinnesti di mucosa e il mantenimento di un ambiente umido dal momento della resezione all'inclusione dello scaffold. Un altro passaggio critico include la corretta solidificazione dell'idrogel; Un attento pipettaggio del collagene assicura che non si formino bolle d'aria all'interno del gel, mentre le corrette impostazioni di temperatura e le soluzioni dei componenti assicurano che il gel si solidifichi correttamente. Il mancato ottenimento di un gel solidificato aumenterà il rischio di delaminazione del collagene e distacco del microtrapianto. Per la parte chirurgica, un'attenta manipolazione durante l'impianto è fondamentale per evitare di danneggiare i microinnesti a causa di traumi meccanici o dissociazione. Prima di chiudere l'addome, la pervietà dei liquidi deve essere attentamente affrontata insufflando la vescica con liquidi.
I limiti alla tecnica includono lo spessore dello scaffold, che intuitivamente ha dei limiti superiori per quanto riguarda la diffusione dei nutrienti dall'ambiente esterno ai microinnesti. D'altra parte, una riduzione dello spessore dell'impalcatura può portare a una permeabilità inappropriatamente elevata e a perdite di urina. La nostra composizione attuale si basa su precedenti valutazioni in vitro , in cui la rigenerazione cellulare in concentrazioni variabili di collagene è stata confrontata20. Il microinnesto di tessuti autologhi si basa anche su tessuto di innesto sano, rendendo l'attuale procedura inadatta per le malattie maligne in cui il rischio di re-trapianto canceroso non può essere adeguatamente escluso23; Tuttavia, l'attuale tecnica è stata progettata per i casi con disabilità funzionali da svuotamento in cui questo non è considerato un rischio. Sebbene il modello imiti diversi passaggi dell'impostazione clinica (ad esempio, la procedura di appendicovesicostomia), questo esperimento non utilizza uno stoma completamente funzionale per la diversione urinaria poiché il condotto è legato distale. Inoltre, poiché le complicanze cliniche possono verificarsi per tutta la vita, un periodo di osservazione di 6 settimane può fornire conoscenze limitate sugli esiti specifici su stenosi e continenza. Pertanto, un ulteriore follow-up di 6 mesi potrebbe essere aggiunto allo studio dopo l'anastomosi del condotto guarito a livello cutaneo.
La prospettiva di questa tecnica si riferisce alla semplicità del design, che consente applicazioni universali nel caso in cui l'origine del tessuto del microinnesto e il biomateriale di supporto vengano sostituiti con altre alternative pertinenti. Questi componenti possono essere modificati per adattarsi a scopi specifici dell'organo relativi alla resistenza, all'elasticità e alla biodegradazione dell'impalcatura. Infine, le spese accessibili e a basso costo consentono la riproducibilità e una traduzione più ampia della tecnica.
Gli autori non hanno conflitti di interesse da dichiarare.
Gli autori desiderano ringraziare il personale del Dipartimento di Medicina Sperimentale (AEM) dell'Università di Copenaghen, per l'assistenza nella pianificazione e nell'esecuzione di interventi chirurgici e zootecnici, e ELLA-CS, s.r.o, Hradec Kralove, Repubblica Ceca, per aver fornito stent biodegradabili personalizzati utilizzati nello studio. Il sostegno finanziario è stato fornito dalla Società Svedese di Ricerca Medica, dalla Fondazione Promobilia, dalla Fondazione Rydbeck, dalla Fondazione Samariten, dalla Fondazione per l'Assistenza Sanitaria Pediatrica, dalla Fondazione Frimurare Barnhuset di Stoccolma e dalla Fondazione Novo Nordisk (NNFSA170030576).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
10x MEM | Gibco, Thermo Fisher Scientific, Waltham, US | 2517592 | Collagen preparation |
1x MEM | Gibco, Thermo Fisher Scientific, Waltham, US | 2508924 | Collagen preparation |
Ambu aScope 4 Cysto | Ambu A/S, Ballerup, DK | 1000682507 | Cystoscope |
Aquaflush ACE stopper | Abena, Taastrup, DK | ACE12/220501 | ACE stopper |
Borgal vet inj opl 200 + 40 mg/mL | Ceva Animal Health A/S | 510460 | Sulfonamide/Trimethoprim |
Bupaq multidose vet 0.3 mg/mL | Salfarm Danmark A/S, DK | 502763 | Buprenorphin |
Butomidor vet inj 10 mg/mL | Salfarm Danmark A/S, DK | 531943 | Buthorphanol |
Comfortan vet inj 10 mg/mL | Dechra Veterinary Products A/S, DK | 492312 | Metadone |
Ethilon suture 3-0 | Ethicon, Johnson & Johnson, New Brunswick, US | SGBCXV | Monofilament non-resorbable |
Fentanyl inj 50 µg/mL(hamel) | Hameln Pharma ApS, DK | 432520 | Fentanyl |
Ketador vet inj 100 mg/mL | Salfarm Danmark A/S, DK | 115727 | Ketamine |
Metacam inj 20 mg/mL t.cattle/pig/horse | Boehringer Ingelheim Animal, DE | 6443 | Meloxcicam |
Metacam oral suspension 15 mg/mL pigs | Boehringer Ingelheim Animal, DE | 482780 | Meloxcicam |
Omnipaque | GF Healthcare, Oslo, NO | 16173849 | Contrast for CT |
Pancytokeratin CK-AE | DAKO Agilent, US | GA053 | Clone AE1/AE3 |
PDS suture 3-0 | Ethicon, Johnson & Johnson, New Brunswick, US | SEMMTQ | Monofilament slow-resorbable |
Prolene suture 4-0 | Ethicon, Johnson & Johnson, New Brunswick, US | PGH187 | Monofilament non-resorbable |
Propolipid t.inj/inf 10 mg/mL | Fresenius Kabi, DK | 21636 | Propofol |
Rat-tail collagen type I | First Link Ltd, Wolverhampton, UK | 60-30-810 | 2.06 mg/mL protein in 0.6% acetic acid |
Suprim vet 20 + 100 mg (Solution for use in drinking water) | Dechra Veterinary Products A/S, DK | 33661 | Sulfonamide/Trimethoprim |
SX-ELLA Degradable Biliary DV stent | ELLA-CS, Trebes, CZ | S23000056-01 | ø 6 mm x 60 mm |
Vicryl mesh | Ethicon, Johnson & Johnson, New Brunswick, US | VM1208 | Mesh |
Vicryl suture 4-0 | Ethicon, Johnson & Johnson, New Brunswick, US | SMBDGDR0 | Braided fast-resorbable |
Xysol vet inj 20 mg/mL | ScanVet Animal Health A/S, DK | 54899 | Xylazine |
Zoletil 50 vet plv/sol t.inj 25 + 25 mg/mL | Virbac Danmark A/S, DK | 568527 | Tiletamine and Zolazepam |
Richiedi autorizzazione per utilizzare il testo o le figure di questo articolo JoVE
Richiedi AutorizzazioneThis article has been published
Video Coming Soon