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Method Article
Apresentamos um protocolo para produção de alto rendimento de canais vasculares com tamanhos flexíveis e padrões desejados em uma placa padrão de seis poços usando a tecnologia de bioimpressão 3D, conhecida como vasos em uma placa (VOP). Esta plataforma tem o potencial de avançar no desenvolvimento de terapêuticas para os distúrbios associados ao endotélio comprometido.
A permeabilidade vascular é um fator chave no desenvolvimento de terapias para distúrbios associados ao endotélio comprometido, como disfunção endotelial nas artérias coronárias e função prejudicada da barreira hematoencefálica. As técnicas de fabricação existentes não replicam adequadamente a variação geométrica nas redes vasculares do corpo humano, o que influencia substancialmente a progressão da doença; Além disso, essas técnicas geralmente envolvem procedimentos de fabricação em várias etapas que dificultam a produção de alto rendimento necessária para testes farmacológicos. Este artigo apresenta um protocolo de bioimpressão para a criação de múltiplos tecidos vasculares com padrões e tamanhos desejados diretamente em placas padrão de seis poços, superando os desafios existentes de resolução e produtividade na tecnologia de bioimpressão. Uma abordagem de fabricação simplificada foi estabelecida para construir seis canais ocos e perfusíveis dentro de um hidrogel, que foram posteriormente revestidos com células endoteliais da veia umbilical humana para formar um endotélio funcional e maduro. A natureza controlada por computador da bioimpressão 3D garante alta reprodutibilidade e requer menos etapas de fabricação manual do que os métodos tradicionais. Isso destaca o potencial do VOP como uma plataforma eficiente de alto rendimento para modelar a permeabilidade vascular e avançar na descoberta de medicamentos.
A rede vascular em todo o corpo humano funciona como uma barreira de transporte crucial, regulando dinamicamente a troca de moléculas e células entre o sangue e os tecidos circundantes. Essa regulação é essencial para prevenir o edema tecidual e permitir a troca seletiva de nutrientes e células, apoiando assim o metabolismo e a homeostase tecidual1. A permeabilidade endotelial alterada, um fator em muitas condições de saúde, afeta tanto a gravidade da doença quanto a eficácia do tratamento2. O endotélio vascular atua como uma barreira seletiva, facilitando a transferência entre vasos, tecidos e órgãos. Essa regulação envolve vários mecanismos, como a filtragem básica de solutos e pequenas moléculas, a ruptura intencional da barreira vascular e a influência de moléculas como prostaglandinas e fatores de crescimento nos níveis de permeabilidade3.
Os principais fatores nessa regulação incluem as junções das células endoteliais, a migração de leucócitos e a funcionalidade da barreira hematoencefálica4. Dada a sua complexidade, o processo varia em diferentes ambientes, envolvendo vários tipos de vasos sanguíneos e utilizando vias anatômicas distintas. Compreender os fundamentos biológicos da permeabilidade vascular é crucial para a elaboração de abordagens terapêuticas para tratar condições associadas à permeabilidade vascular anormal. Manter a permeabilidade vascular é crucial para a saúde do sistema vascular e dos tecidos circundantes; Consequentemente, o comprometimento dessa função leva à disfunção endotelial, estado em que o endotélio perde sua funcionalidade normal.
A disfunção endotelial é precursora de várias doenças humanas prevalentes, incluindo hipertensão, doença arterial coronariana, diabetes e câncer 5,6,7. Essa condição pode se apresentar de várias maneiras, incluindo diminuição da vasodilatação, aumento da permeabilidade dos vasos e tendência a um estado pró-inflamatório. Esse estado patológico é o estágio inicial de vários problemas cardiovasculares críticos, como doença arterial coronariana, acidente vascular cerebral e doença arterial periférica8, que continuam a ser as principais causas de mortalidade nos Estados Unidos1. A disfunção endotelial afeta a saúde cardiovascular, bem como a barreira hematoencefálica (BHE) e desempenha um papel importante na progressão de vários distúrbios neurológicos. A disfunção pode aumentar a permeabilidade da BHE, permitindo que toxinas, patógenos e células imunes se infiltrem no sistema nervoso central e contribuindo para distúrbios neurológicos, como acidente vascular cerebral, doença de Alzheimer, esclerose múltipla e infecções cerebrais9.
A disfunção endotelial no diabetes é marcada pelo comprometimento da capacidade do endotélio de regular o tônus vascular e produzir mediadores vasodilatadores, como o óxido nítrico, levando ao comprometimento da vasodilatação10. Essa condição é exacerbada por vias induzidas pela hiperglicemia, como a ativação da proteína quinase C e o estresse oxidativo, contribuindo significativamente para a progressão da doença vascular diabética11. Além disso, descobriu-se que um ambiente inflamatório aumenta a adesão das células tumorais às células endoteliais microvasculares cerebrais, enquanto um endotélio com vazamento foi relatado como um fator importante na metástase do câncer12,13. Descobriu-se que a geometria dos vasos sanguíneos influencia diretamente a metástase do câncer cerebral. As células tumorais se ligam preferencialmente a áreas de maior curvatura dos vasos sanguíneos7. Esse achado ressalta a importância da geometria vascular na metástase do câncer. Mais importante, em condições como fibrose e câncer, a função da barreira endotelial interrompida não apenas desempenha um papel no desenvolvimento da doença, mas também dificulta a eficácia do tratamento, dificultando a administração adequada do medicamento14. A pesquisa sobre permeabilidade vascular é crucial para o avanço do tratamento de doenças cardiovasculares e oferece insights sobre o gerenciamento de outras doenças que envolvem função vascular comprometida.
Dado o papel crucial da permeabilidade vascular na saúde e na doença, pesquisas consideráveis se concentraram em examinar a natureza seletiva da barreira endotelial para o desenvolvimento terapêutico usando modelos animais, juntamente com plataformas tradicionais de teste in vitro 2D e 3D. No entanto, os modelos animais apresentam limitações devido a diferenças específicas da espécie e questões éticas, além de altos custos15,16. Por exemplo, a Pfizer, em 2004, afirmou que, nos 10 anos anteriores, gastou mais de US $ 2 bilhões em desenvolvimentos de medicamentos que mostraram efeitos promissores em modelos animais, mas acabaram falhando em estágios avançados de testes em humanos17. Além disso, os modelos 2D tradicionais não imitam com precisão a arquitetura tridimensional (3D) e a complexa estrutura geométrica dos canais vasculares.
Com os avanços nas tecnologias de biofabricação, grandes esforços têm sido direcionados para a fabricação de canais vasculares enquanto recapitulam a arquitetura 3D. Os canais vasculares em microescala podem ser efetivamente fabricados dentro de chips microfluídicos usando litografia suave, oferecendo assim uma vantagem de análise em tempo real18,19. Métodos alternativos, como fundição de hidrogel ou envolvimento de folhas de células em torno de um molde ou mandril, podem ser usados para criar estruturas tubulares independentes com o diâmetro desejado20,21. No entanto, esses métodos têm limitações; Por exemplo, chips microfluídicos são restritos a configurações de microcanais, e a fundição de hidrogel em torno de um molde não replica efetivamente várias geometrias.
Com o surgimento da tecnologia de bioimpressão 3D22, a replicação de geometrias complexas depositando com precisão vários materiais de hidrogel baseados em matriz extracelular (ECM) tornou-se possível23,24. Alguns métodos de bioimpressão, como aqueles que usam bicos dispostos concentricamente, por exemplo, coaxial e triaxial25,26, não podem criar tubos bifurcados; no entanto, estruturas complexas podem ser alcançadas com métodos de padronização sacrificial27. Nenhum desses métodos de bioimpressão demonstrou permitir modelagem in vitro de alto rendimento - um requisito crucial para a pesquisa farmacológica na descoberta de medicamentos. Aqui, apresentamos um método para fabricar eficientemente canais vasculares endotelizados com controle eficiente sobre as dimensões.
Estabelecemos uma abordagem direta usando placas de seis poços disponíveis comercialmente, combinadas com um método de padronização sacrificial no qual uma bioimpressora fabrica canais vasculares de tamanhos e padrões desejados dentro de um hidrogel ECM. Células endoteliais da veia umbilical humana (HUVECs) foram semeadas para endotelizar esses canais e avaliar a funcionalidade do endotélio por meio de um ensaio de permeabilidade. Esse design permite a perfusão sem bombeamento, criando reservatórios de mídia em ambos os lados do canal e usa o fluxo acionado por gravidade com a ajuda de um balancim 2D comumente usado para imitar a cultura dinâmica. Essa abordagem elimina a necessidade de bombas peristálticas e facilita a escalabilidade dessa plataforma para aplicações de alto rendimento. A natureza controlada por computador da tecnologia de bioimpressão 3D também agiliza o processo de fabricação, diminuindo assim a probabilidade de erros durante a fabricação. O modelo VOP mostra-se promissor como uma ferramenta valiosa para testes farmacológicos na descoberta de medicamentos.
1. Geração de código G para a bioimpressora
2. Preparação de tintas sacrificiais e de câmara de silício
NOTA: As fontes de todos os materiais usados neste protocolo estão listadas na Tabela de Materiais.
3. Processo de fabricação
4. Preparação de hidrogel e incorporação de canais
5. Cultura HUVEC
6. Endotelização de canais
7. Avaliação da maturação do endotélio
8. Ensaio de permeabilidade
9. Medição da intensidade de fluorescência no ImageJ
A plataforma VOP, com flexibilidade de tamanho e padrão, foi fabricada com um sistema de bioimpressão de várias cabeças. Canais, ocos e capazes de perfusão, foram semeados com HUVECs para facilitar a endotelização e foram posteriormente avaliados com um ensaio de permeabilidade (Figura 1A). Para demonstrar a capacidade de fabricação multiescala desse método, imprimimos três configurações distintas: reta, bifurcada e complicada (
Aproveitando a precisão, automação e natureza controlada por computador da tecnologia de bioimpressão 3D, estabelecemos um método simplificado para fabricar canais vasculares em placas padrão de seis poços, que foram escolhidas por sua compatibilidade com leitores comerciais de microplacas e configurações de imagens microscópicas. O design da placa pode acomodar canais de vários tamanhos e um volume suficiente de mídia para o crescimento de canais maiores, diminuindo a frequ?...
Os autores declaram não haver interesses financeiros concorrentes.
Este trabalho foi apoiado por subvenções da Fundação Nacional de Pesquisa da Coreia (NRF) financiadas pelo governo da Coreia (Ministério da Ciência e TIC, MSIT) [No. NRF-2019R1C1C1009606; Nº 2020R1A5A8018367; e não. RS-2024-00423107]. Esta pesquisa foi apoiada pelo Programa de Desenvolvimento de Tecnologia Médica e Biológica das bolsas da NRF financiadas pelo MSIT [No. NRF-2022M3A9E4017151 e No. NRF-2022M3A9E4082654]. Este trabalho foi apoiado pelo Programa de Inovação Tecnológica [nº 20015148] e pelo Projeto Alquimista [nº 20012378] financiado pelo Ministério do Comércio, Indústria e Energia (MOTIE, Coréia). Este trabalho também foi apoiado pelo Instituto Coreano de Planejamento e Avaliação de Tecnologia em Alimentos, Agricultura e Silvicultura (IPET) por meio do Programa de Tecnologias de Convergência Agrícola e Alimentar para Pesquisa Desenvolvimento de Mão de Obra, financiado pelo Ministério da Agricultura, Alimentação e Assuntos Rurais (MAFRA) [No. RS-2024-00397026].
Name | Company | Catalog Number | Comments |
10 mL Serological Pipette | SPL | SPL 91010 | |
10 mL syringe | Shinchang Medical | ||
15 mL conical tube | SPL | 50015 | |
3D Bioprinter | T&R Biofab | 3DX-Printer | |
6-well plate | SPL | 37206 | |
Biological Safety Cabinets | CHC LAB | PCHC-777A2-04, | |
Brightfield Inverted Microscopes | Leica | DMi1 | |
Cell Counting Kit (CCK8) | GlpBio | GK10001 | |
Cell Counting Kit (CCK8) | GlpBio | GK10001 | |
Cell Culture Flask 75T | SPL | 70075 | |
Corning Matrigel Growth Factor Reduced (GFR) Basement Membrane Matrix, LDEV-free, 10 mL | Corning | 354230 | |
Distilled water | |||
DMEM/F12 | Gibco | 11320033 | |
DMSO, Cell Culture Grade | Sigma aldrich | D2438 | |
Dow-Corning, PDMS-Sylgard 184a Kit | DOW | DC-184 | |
DOWSIL SE 1700 Clear W/C 1.1 KG Kit | DOW | 2924404 | |
D-PBS - 1x | Welgene | LB001-01 | |
Endothelial Cell Growth Medium MV 2 (Ready to use) | Promocell | C-22022 | |
Eppendorf Micro pipette(1000,200,100,20,10) | eppendorf | ||
Ethyl Alcohol 99.9% | Duksan | D5 | |
Excel | Microsoft | ||
Fibrinogen from bovine plasma | Sigma Aldrich | F8630-1G | |
FITC Dextran 70 kDa | Sigma Aldrich | 46945-100MG-F | |
Fluorescent beads (1.0 μm, green) | Sigma Aldrich | L1030-1ML | |
GelMA-powder (Gelatin methacrylate) 50 g | 3D Materials | 20JT29 | |
Gibco, Recovery Cell Culture Freezing Medium, 50 mL | Gibco | ||
HUVECs (Human Umbillical Vein Endothelial Cells) | Promocell | ||
ImageJ software | NIH | ||
Incubator | Thermo SCIENTIFIC | Forma STERI-CYCLE i160 CO2 Incubator | |
Invitrogen, Live/dead viability/cytotoxicity Kit (for mammalian cells) | Thermo Fisher | L3224 | |
Lithium Phenyl (2,4,6-trimethylbenzoyl) phosphate powder | Tokoyo Chemical Industry CO. | 85073-19-4 | |
Marienfeld Superior, Counting chamber cover | Marienfeld Superior | ||
Marienfeld Superior, Hemocytometer, cell counting chamber | Marienfeld Superior | HSU-0650030 | |
Microcentrifuge | eppendorf | Centrifuge 5920 R | |
NCViewer.com | |||
Nitrogen tank | WORTHINGTON INDUSTRIES | LS750 | |
Omnicure UV Laser | EXCELITAS | SERIES 1500 | |
Parafilm M | amcor | PM-996 | |
Penicillin-Streptomycin Solution (100x) | GenDEPOT | CA005-010 | |
Planetary Mixer | THINKY CORPORATION, japan | ARE-310 | |
Plasma treatment machine | FEMTO SCIENCE | CUTE-1MPR | |
Pluronic F-127 | Sigma aldrich | P2443-250G | |
Pre-made buffer, (P2007-1) 10x PBS | Biosesang | PR4007-100-00 | |
Reagent storage cabinet | ZIO FILTER TECH | SC2-30F-1306D1-BC | |
Real time Live cell Imaging Microscope | Carl ZEISS | ||
Refrigerator | SAMSUNG | RT50K6035SL | |
ROCKER 2D digital | IKA | 4003000 | |
Scoop-Spatula | CacheBy | SL-SCO7001-EA | |
sigma,Trypsin-EDTA solition, 0.25% | Sigma aldrich | T4049-100ML | |
Sodium Dodecyl Sulfate (SDS) | Thermo Fisher scientific | 151-21-3 | |
Syringe Barrel Tip Cap | FISNAR | 3051806 | |
Tally counter | Control Company | C23-147-050 | |
Tapered Nozzle (18 G) | Mushashi | TPND-18G-U | |
Tapered Nozzle (22 G) | Mushashi | TPND-22G-U | |
Tapered nozzle 20 G | Musashi | TPND-20G-U | |
Thrombin from bovine plasma | Sigma Aldrich | T7326-1KU | |
Timer, 4-channel | ETL | SL.Tim3005 | |
Trypan Blue Solution 0.4% | Gibco | 15250061 | |
Trypsin Neutralizing Solution | Promocell | C-41120 | |
UG 24 mL UG ointment jar | Yamayu | No. 3-53 | |
UG 58 mL UG ointment jar | Yamayu | No. 3-55 | |
Water Bath | DAIHAN Scientific | WB-11 | |
Weight machine | Sartorius | bce2241-1skr |
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