In den letzten beiden Jahrzehnten wurden mit der Entwicklung der Mikrofluidik- und 3D-Zellkultivierungstechnologien verschiedene Organe-auf-Chip-Modelle für biologische und pharmazeutische Studien entwickelt. Durch die Mikrofabrikation und die Integration mit dem 3D-Zellkultursystem können verschiedene biomimetische Umgebungen und funktionale Strukturen auf den Organe-auf-Chip-Modellen nachgebildet werden. Die integrierten Blutgefäße verteilen nicht nur Sauerstoff und Nährstoffe in großen Gewebemodellen, sondern ermöglichen auch die Nachbildung der parakrinen Signalgebung, die die Reifung des Gewebemodells fördert. Darüber hinaus können mit dem vaskulären Netzwerk verschiedene hämodynamisch beeinflusste biologische und medikamentenabhängige Prozesse wie die Adhäsion von weißen Blutzellen und zirkulierenden Tumorzellen sowie der Transport von Nanocarriern in diesen on-chip vaskularisierten Gewebemodellen untersucht werden.
Methoden zur Gefäßkonstruktion
Es wurden verschiedene Methoden zur Gefäßkonstruktion für in vitro vaskularisierte Gewebemodelle berichtet. Abhängig von den Dimensionen der resultierenden Gefäße können diese Methoden im Allgemeinen in zwei Kategorien unterteilt werden: Vorherige Kanalenthäutung und vasculogenesebasierte Endothelzellselbstorganisation. Die erste Methode baut Blutgefäße mit Endothelzellen auf, um die konstruierten Kanäle mit gewünschten Geometrien im Hydrogel auszukleiden. Mit dieser Methode können Gefäße mit Durchmessern von einigen hundert Mikrometern bis zu einigen Millimetern erreicht werden. Für die Konstruktion des Gefäßnetzwerks wurde 3D-Drucktechnologie verwendet, um millimeterskalige Kanäle im Hydrogel aufzubauen und mit menschlichen Nabelschnurendothelzellen (HUVECs) zu beschichten. Durch die Aussaat der HUVECs auf der gesamten Kanalinnenfläche konnte ein perfundierbares dendritisches Gefäßnetzwerk in vitro aufgebaut werden. Dies ermöglicht nicht nur die Schaffung einer 3D-Gefäß-Gewebe-Schnittstelle, sondern auch die Untersuchung der Gefäß-Gewebe-Interaktion auf zellulärer Ebene.
Um Gefäße mit einem Durchmesser kleiner als 100 μm zu konstruieren, wurde die zweite Methode auf der Endothelzellselbstorganisation in Hydrogelen basierend berichtet. Nach dem Aussaat in Hydrogele bei geeigneten Konzentrationen können sich Endothelzellen in vernetzten und perfundierbaren kapillaren Netzwerken deformieren und selbst organisieren. Diese Methode wurde in den letzten Jahrzehnten breit eingesetzt, um vaskularisierte Gewebemodelle on-chip aufzubauen. Durch Bereitstellung mechanischer und biochemischer Reize in den Hydrogelen auf solchen Plattformen können Endothelzellen in den Hydrogelen migrieren und aussprossen, um neue Gefäße zu bilden. Es wurde gezeigt, dass Endothelzellen sowohl den interstitiellen Fluss als auch den Wachstumsfaktorgradienten wahrnehmen können und gegen die Flussrichtung und den Wachstumsfaktorgradienten in Hydrogel aussprossen, um neue Gefäße zu bilden. Die Induktion der Angiogenese mit Sphäroiden aus Fibroblasten und Tumorzellen in Hydrogel ermöglicht die Konstruktion von vaskularisierten Tumormodellen.
Hierarchische Gefäßnetzwerke
Die Gefäßnetzwerke im realen Gewebe haben normalerweise eine hierarchische Struktur, die Gefäße mit unterschiedlichen Skalen und Strukturen umfasst. Die durch diese hierarchische Struktur diversifizierten hämodynamischen Bedingungen beeinflussen signifikant die physiologischen und pathologischen Prozesse wie die Zelladhäsion und die Thrombusbildung im Gefäßnetzwerk. Daher wird ein hierarchisches Gefäßnetzwerk aus Gefäßen mit unterschiedlichen Skalen gewünscht, um realistischere Modelle zu konstruieren. Indem eine Anastomose zwischen Gefäßen unterschiedlicher Größen herbeigeführt wird, kann ein solches hierarchisches Netzwerk aufgebaut werden. In jüngsten Studien wurde über die Konstruktion hierarchischer Gefäßnetzwerke berichtet, bei denen die Gewebemodelle mit hierarchischen Gefäßnetzwerken integriert werden konnten. Diese Arbeiten haben gezeigt, dass ein perfundierbares hierarchisches Netzwerk durch die Induktion der anastomotischen Fusion zwischen den Gefäßen unterschiedlicher Größen aufgebaut werden kann.
In dieser Arbeit berichten wir, dass spontane Anastomosestellen zwischen den primären Gefäßen, die aus Endothelzellgefäßen und HUVEC-selbstorganisierten Kapillarnetzwerken bestehen, ohne physische Unterstützung induziert werden können. Dadurch kann ein hierarchisches und durchlässiges Gefäßnetzwerk innerhalb von 5 Tagen in einem intakten Gel aufgebaut werden. Es wurde herausgefunden, dass sowohl der Strömungsreiz als auch die HUVEC-Konzentration zur induzierten Anastomose beitragen. Als Demonstration wurde die Netzwerkkonstruktionsmethode verwendet, um ein on-chip hierarchisches gefäßunterstütztes Tumormodell für die Arzneimittelprüfung aufzubauen. Paclitaxel wurde verwendet, um die Arzneimittelantwort des Tumormodells zu testen. Durch die Beeinflussung der mikrotubulären Desassemblierung hemmt Paclitaxel die Mitose proliferierender Zellen und löst somit Apoptose aus. Im Vergleich zu dem Tumormodell ohne Gefäßunterstützung – dem nicht hierarchischen gefäßunterstützten Tumormodell – zeigt das hierarchische gefäßunterstützte Tumormodell eine signifikant höhere Tumorwachstumsrate und eine geringere Medikamentenresistenz. Durch simulationsanalyse wurde die höhere Tumorwachstumsrate im hierarchischen gefäßunterstützten Tumormodell durch den höheren Massenfluss des Mediums erklärt, der von den hierarchischen Gefäßen bereitgestellt wird. Diese Arbeit kann zukünftige Entwicklungen von vaskularisierten Organ-auf-Chip-Modellen inspirieren und die Arzneimittelscreening-Prozesse erleichtern.
