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

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

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