Development of Implantable Autologous Small-Calibre Vascular Grafts from Peripheral Blood Samples

 

 Buy Article Permissions and Reprints

Abstract

Introduction: At present the generation of a small-calibre (≤ 5 mm) vascular replacement for artificial bypasses remains a challenge for tissue engineering. The biocompatibility of bioartificial vessel replacements is of decisive significance for function and depends on the materials used. A completely autologous vessel substitute must exhibit high biocompatibility and functionality. For this purpose we developed and optimised a technique for the engineering of an autologous bypass material from a fibrin scaffold and vascular cells isolated from the same sample of peripheral blood in a porcine model.

Materials and Methods: Fibrinogen, late outgrowth endothelial and smooth muscle cells were isolated from peripheral blood samples (n = 14, 100 mL each). Fibroblasts were isolated from porcine aortic adventitial tissue (n = 4). Tubular seeded fibrin segments were obtained using an injection moulding technique with the simultaneous incorporation of the in vitro expanded cells into the fibrin matrix. The segments were cultivated under dynamic conditions with pulsatile perfusion in a bioreactor. Morphological and functional characterization was done.

Results: Artificial vascular segments with a length of 150 mm were reproducibly obtained with a hierarchical arrangement of incorporated cells similar to the structure of the vascular wall. By additional seeding of fibroblasts, suturable segments with biomechanical properties suitable for implantation into the arterial system were obtained.

Conclusions: Implantable bioartificial vascular grafts can be generated from blood. After cultivation under dynamic conditions the vascular segments possess a structure similar to that of the vascular wall and exhibit biomechanical properties sufficient for implantation as arterial substitutes.

Zusammenfassung

Einleitung: Die Generierung eines kleinlumigen Gefäßersatzes bleibt eine der großen Herausforderungen des Tissue Engineering. Die Biokompatibilität eines bioartifiziellen Gefäßersatzes ist dabei von entscheidender Bedeutung für seine Funktionalität und ist abhängig von den verwendeten Materialien. Ein vollständig autologer Gefäßersatz lässt eine hohe Biokompatibilität und Funktionalität erwarten. Dazu entwickelten wir eine Methode mit der in einem autologen Ansatz im Tiermodell (Schwein) aus Blut auf dem Boden einer Fibrinmatrix und zirkulierenden vaskulären Zellen ein Gefäßersatz konstruiert werden kann.

Materialien und Methoden: Fibrinogen, late outgrowth endothelial und smooth muscle cells wurden jeweils aus der gleichen Menge peripheren Blutes isoliert (n = 14, je 100 ml). Fibroblasten wurden aus der Adventitia porciner Aorten (n = 4) isoliert. Unter Verwendung einer „injection moulding technique“ wurden unter gleichzeitiger Ansiedlung der Zellen in der Matrix tubuläre Fibrinsegmente generiert. Die Segmente wurden unter dynamischen Bedingungen mit pulsatiler Perfusion in einem Bioreaktor kultiviert und anschließend morphologisch und funktionell charakterisiert.

Ergebnisse: Bioartifizielle Gefäßsegmente mit einer Länge von 150 mm wurden reproduzierbar konstruiert mit einer hierarchischen Anordnung der angesiedelten Zellen entsprechend dem Aufbau einer Gefäßwand. Durch die zusätzliche Besiedlung mit Fibroblasten wurden nahtfähige Segmente mit biomechanischen Eigenschaften generiert, die für die Implantation in das arterielle System geeignet sind.

Schlussfolgerung: Aus Blut können implantierbare bioartifizielle Gefäßersatzstücke generiert werden. Nach Kultivierung unter dynamischen Bedingungen weisen die Gefäßsegmente einen Aufbau auf, der dem einer Gefäßwand ähnelt und mechanische Eigenschaften, die für die Implantation in das arterielle Gefäßsystem ausreichen.

• References

• 1 Tu JV, Pashos CL, Naylor CD et al. Use of cardiac procedures and outcomes in elderly patients with myocardial infarction in the United States and Canada. N Engl J Med 1997; 336: 1500-1505
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 2 Aper T, Haverich A, Teebken O. New developments in tissue engineering of vascular prosthetic grafts. Vasa 2009; 38: 99-122
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 3 Aper T, Schmidt A, Duchrow M et al. Autologous blood vessels engineered from peripheral blood sample. Eur J Vasc Endovasc Surg 2007; 33: 33-39
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 4 Ahmann KA, Weinbaum JS, Johnson SL et al. Fibrin degradation enhances vascular smooth muscle cell proliferation and matrix deposition in fibrin-based tissue constructs fabricated in vitro . Tissue Eng Part A 2010; 16: 3261-3270
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 5 Karim N, Golz K, Bader A. The cardiovascular tissue-reactor: a novel device for the engineering of heart valves. Artif Organs 2006; 30: 809-814
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 6 Kruger A, Hovakimyan M, Ramirez Ojeda DF et al. Combined nonlinear and femtosecond confocal laser-scanning microscopy of rabbit corneas after photochemical cross-linking. Invest Ophthalmol Vis Sci 2011; 52: 4247-4255
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 7 Stekelenburg M, Rutten MC, Snoeckx LH et al. Dynamic straining combined with fibrin gel cell seeding improves strength of tissue-engineered small-diameter vascular grafts. Tissue Eng Part A 2009; 15: 1081-1089
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 8 Tschoeke B, Flanagan TC, Koch S et al. Tissue-engineered small-caliber vascular graft based on a novel biodegradable composite fibrin-polylactide scaffold. Tissue Eng Part A 2009; 15: 1909-1918
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 9 Asahara T, Murohara T, Sullivan A et al. Isolation of putative progenitor endothelial cells for angiogenesis. Science 1997; 275: 964-967
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 10 Pearson JD. Endothelial progenitor cells – an evolving story. Microvasc Res 2010; 79: 162-168
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 11 Simper D, Stalboerger PG, Panetta CJ et al. Smooth muscle progenitor cells in human blood. Circulation 2002; 106: 1199-1204
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 12 Quint C, Kondo Y, Manson RJ et al. Decellularized tissue-engineered blood vessel as an arterial conduit. Proc Natl Acad Sci USA 2011; 108: 9214-9219
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 13 Xie SZ, Fang NT, Liu S et al. Differentiation of smooth muscle progenitor cells in peripheral blood and its application in tissue engineered blood vessels. J Zhejiang Univ Sci B 2008; 9: 923-930
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 14 Koch S, Flanagan TC, Sachweh JS et al. Fibrin-polylactide-based tissue-engineered vascular graft in the arterial circulation. Biomaterials 2010; 31: 4731-4739
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 15 Sagban TA, Schiegel E, Grabitz K et al. Bioengineering of a semiautologous arterial vessels with reconstructed media and intima, longtime tested in vivo . Adv Eng Mater 2011; 13: 518-528
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 16 Bucala R, Spiegel LA, Chesney J et al. Circulating fibrocytes define a new leukocyte subpopulation that mediates tissue repair. Mol Med 1994; 1: 71-81
  PubMedGoogle Scholar
• 17 Pearson JD. Endothelial cell function and thrombosis. Baillieres Best Pract Res Clin Haematol 1999; 12: 329-341
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 18 Hashi CK, Zhu Y, Yang GY et al. Antithrombogenic property of bone marrow mesenchymal stem cells in nanofibrous vascular grafts. Proc Natl Acad Sci USA 2007; 104: 11915-11920
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 19 Schmidt D, Asmis LM, Odermatt B et al. Engineered living blood vessels: functional endothelia generated from human umbilical cord-derived progenitors. Ann Thorac Surg 2006; 82: 1465-1471 discussion 1471
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 20 Gong Z, Niklason LE. Small-diameter human vessel wall engineered from bone marrow-derived mesenchymal stem cells (hMSCs). FASEB J 2008; 22: 1635-1648
  CrossrefPubMedGoogle Scholar