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.
Key words
bypass material - bioengineering - surgical research - vascular surgery
Schlüsselwörter
Bypass-Material - Bioengineering - chirurgische Forschung - Gefäßchirurgie
