Zusammenfassung
Hintergrund
Immunogenität und autologe zelluläre Besiedlung sind die wesentlichen Determinanten des In-vivo-Schicksals biologischer kardiovaskulärer Implantate. Eine Dezellularisierung verhindert zwar eine relevante Immunantwort des Empfängers, allerdings erfordern die aktuellen Protokolle noch weitere Verbesserung, um gleichzeitig Azellularität, Präservierung der extrazellulären Matrix (EZM) und Biofunktionalität garantieren zu können.
Ziel der Arbeit
Die aktuelle Studie diente der Evaluation eines detergenzienfreien, nichtproteolytischen, aktinabbauenden Verfahrens (BIO) zur Dezellularisierung von Herzklappen- und Gefäßprothesen. Ein besonderer Fokus lag auf der Biofunktionalität der Implantate.
Material und Methoden
Die Dezellularisierung von Schweineaortenklappengewebe („porcine aortic valve“, pAV; n = 106) und Rattenaortenkonduits („rat aortic conduit“, rAoC; n = 89) wurde durch biologische Agenzien (Gruppe BIO: Latrunculin B, Salzlösungen mit hoher Ionenstärke, DNase I) und Detergenzien (Kontrollgruppe DET: Natriumdodecylsulfat, Desoxycholat) erzielt. Strukturelle und mechanische Aspekte sowie die Zytokompatibilität der Prothesen wurden in vitro analysiert, während ihre Biofunktionalität über 8 Wochen in einem Rattenmodell der Implantation in die systemische Zirkulation untersucht wurde.
Ergebnisse
Im histologischen und im immunhistologischen Nachweis, in der Western-Blotting-Methode sowie in der Raman-Spektroskopie zeigten sich BIO-dezellularisierte Prothesen frei von zellulären Komponenten, während die Struktur der EZM und die mechanischen Eigenschaften erhalten waren. Die Architektur der BIO-rAoC ermöglicht im Vergleich zu DET-dezellularisierten Grafts eine verbesserte In-vivo-Biofunktionalisierung durch Fibronektinbeschichtung. Dies stellte sich sowohl durch eine beschleunigte autolog-zelluläre Besiedlung der Media (p < 0,001) als auch durch eine verminderte Intimahyperplasie (p < 0,001) dar. Weiterhin spielten inflammatorische Prozesse keine Rolle in den an den Explantaten erhobenen Befunden.
Schlussfolgerung
Das biologisch basierte, detergenzienfreie, nichtproteolytische Verfahren balanciert effektive Dezellularisierung und Erhalt der EZM in kardiovaskulären Prothesen und liefert außerdem eine optimierte Biofunktionalisierbarkeit. Darüber hinaus könnte das aktinabbauende Verfahren eine vielversprechende Methode zur Herstellung nichtimmunogener, azellulärer Gerüste aus anderen muskulären Geweben, wie z. B. Myokard oder Darmwand, sein.
Abstract
Background
The in vivo fate of biological cardiovascular implants is predominantly influenced by the immunogenicity and autologous cellular population of the graft. Decellularization inhibits relevant immune responses against the prostheses; however, current protocols still need to be improved to guarantee acellularity, extracellular matrix preservation and biofunctionality to the same extent.
Objective
In this study a detergent-free, non-proteolytic, actin-disassembling regimen (BIO) for the decellularization of heart valves and vessel grafts, particularly focusing on the biofunctionality was evaluated.
Material and methods
Decellularization of porcine aortic valve tissue (pAV, n = 106) and rat aortic conduits (rAoC, n = 89) was achieved by biological agents (group BIO: latrunculin B, high ionic strength solutions and DNase I) or detergents as controls (group DET: sodium dodecyl sulfate and deoxycholate). Structural and mechanical aspects as well as the cytocompatibility were analyzed in vitro, while the biofunctionality was examined over 8 weeks in a rat model of systemic implantation.
Results
Prostheses decellularized in group BIO were free from cellular components, as shown by histological and immunohistological detection as well as in Western blotting and Raman spectroscopy, while the extracellular matrix structure and the mechanical properties were preserved. The architecture of BIO-rAoC enables improved in vivo biofunctionalization using fibronectin with significantly increased speed and amount of autologous cellular repopulation of the media (p < 0.001) and decreased formation of hyperplastic intima (p < 0.001) as compared to fibronectin-coated grafts decellularized in the DET group. Moreover, inflammatory processes did not play a role in any of the explanted grafts.
Conclusion
The biological, detergent-free, non-proteolytic regimen balances effective decellularization and extracellular matrix preservation in cardiovascular grafts and provides optimized biofunctionalization. Moreover, the actin-disassembling regimen may be a promising approach for bioengineering of non-immunogenic, acellular scaffolds from other muscular tissues, such as the myocardium or intestinal wall.
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Literatur
Akhyari P, Kamiya H, Gwanmesia P, Aubin H, Tschierschke R, Hoffmann S, Karck M, Lichtenberg A (2010) In vivo functional performance and structural maturation of decellularised allogenic aortic valves in the subcoronary position. Eur J Cardiothorac Surg 38:539–546
Assmann A, Akhyari P, Delfs C, Flögel U, Jacoby C, Kamiya H, Lichtenberg A (2012) Development of a growing rat model for the in vivo assessment of engineered aortic conduits. J Surg Res 176:367–375
Assmann A, Delfs C, Munakata H, Schiffer F, Horstkötter K, Huynh K, Barth M, Stoldt VR, Kamiya H, Boeken U, Lichtenberg A, Akhyari P (2013) Acceleration of autologous in vivo recellularization of decellularized aortic conduits by fibronectin surface coating. Biomaterials 34:6015–6026
Assmann A, Zwirnmann K, Heidelberg F, Schiffer F, Horstkötter K, Munakata H, Gremse F, Barth M, Lichtenberg A, Akhyari P (2014) The degeneration of biological cardiovascular prostheses under pro-calcific metabolic conditions in a small animal model. Biomaterials 35:7416–7428
Assmann A, Struß M, Schiffer F, Heidelberg F, Munakata H, Timchenko EV, Timchenko PE, Kaufmann T, Huynh K, Sugimura Y, Leidl Q, Pinto A, Stoldt VR, Lichtenberg A, Akhyari P (2016) Improvement of the in vivo cellular repopulation of decellularized cardiovascular tissues by a detergent-free, non-proteolytic, actin-disassembling regimen. J Tissue Eng Regen Med. doi:10.1002/term.2271
Baraki H, Tudorache I, Braun M, Höffler K, Görler A, Lichtenberg A, Bara C, Calistru A, Brandes G, Hewicker-Trautwein M, Hilfiker A, Haverich A, Cebotari S (2009) Orthotopic replacement of the aortic valve with decellularized allograft in a sheep model. Biomaterials 30:6240–6246
Cebotari S, Lichtenberg A, Tudorache I, Hilfiker A, Mertsching H, Leyh R, Breymann T, Kallenbach K, Maniuc L, Batrinac A, Repin O, Maliga O, Ciubotaru A, Haverich A (2006) Clinical application of tissue engineered human heart valves using autologous progenitor cells. Circulation 114:I132–I137
Cicha I, Rüffer A, Cesnjevar R, Glöckler M, Agaimy A, Daniel WG, Garlichs CD, Dittrich S (2011) Early obstruction of decellularized xenogenic valves in pediatric patients: involvement of inflammatory and fibroproliferative processes. Cardiovasc Pathol 20:222–231
da Costa FD, Costa AC, Prestes R, Domanski AC, Balbi EM, Ferreira AD, Lopes SV (2010) The early and midterm function of decellularized aortic valve allografts. Ann Thorac Surg 90:1854–1860
Faulk DM, Carruthers CA, Warner HJ, Kramer CR, Reing JE, Zhang L, D’Amore A, Badylak SF (2014) The effect of detergents on the basement membrane complex of a biologic scaffold material. Acta Biomater 10:183–193
Fishman JM, Lowdell MW, Urbani L, Ansari T, Burns AJ, Turmaine M, North J, Sibbons P, Seifalian AM, Wood KJ, Birchall MA, De Coppi P (2013) Immunomodulatory effect of a decellularized skeletal muscle scaffold in a discordant xenotransplantation model. Proc Natl Acad Sci U S A 110:14360–14365
Gillies AR, Smith LR, Lieber RL, Varghese S (2011) Method for decellularizing skeletal muscle without detergents or proteolytic enzymes. Tissue Eng Part C Methods 17:383–389
Kasimir MT, Rieder E, Seebacher G, Nigisch A, Dekan B, Wolner E, Weigel G, Simon P (2006) Decellularization does not eliminate thrombogenicity and inflammatory stimulation in tissue-engineered porcine heart valves. J Heart Valve Dis 15:278–286
Lichtenberg A, Tudorache I, Cebotari S, Suprunov M, Tudorache G, Goerler H, Park JK, Hilfiker-Kleiner D, Ringes-Lichtenberg S, Karck M, Brandes G, Hilfiker A, Haverich A (2006) Preclinical testing of tissue-engineered heart valves re-endothelialized under simulated physiological conditions. Circulation 114:I559–I565
Meyer SR, Chiu B, Churchill TA, Zhu L, Lakey JR, Ross DB (2006) Comparison of aortic valve allograft decellularization techniques in the rat. J Biomed Mater Res A 79:254–262
Moroni F, Mirabella T (2014) Decellularized matrices for cardiovascular tissue engineering. Am J Stem Cells 3:1–20
Rüffer A, Purbojo A, Cicha I, Glöckler M, Potapov S, Dittrich S, Cesnjevar RA (2010) Early failure of xenogenous de-cellularised pulmonary valve conduits – a word of caution! Eur J Cardiothorac Surg 38:78–85
Thomas AH, Edelman ER, Stultz CM (2007) Collagen fragments modulate innate immunity. Exp Biol Med (Maywood) 232:406–411
Assmann A, Akhyari P, Lichtenberg A (2017) Optimierung der Bio-Funktionalität und Struktur dezellularisierter kardiovaskulärer Implantate – Evaluation eines Detergenzien-freien, nicht-proteolytischen Verfahrens. Spitzenforschung Herz-Kreislauf-Medizin. Innovationen und Auszeichnungen 2017. ALPHA Informations-GmbH, Lampertheim, S. 24–31
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A. Assmann, P. Akhyari und A. Lichtenberg geben an, dass kein Interessenkonflikt besteht.
Alle nationalen Richtlinien zur Haltung und zum Umgang mit Labortieren wurden eingehalten, und die notwendigen Zustimmungen der zuständigen Behörden liegen vor.
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Der Inhalt dieser Arbeit wurde 2016 mit dem Gefäßchirurgischen Forschungspreis der DGTHG ausgezeichnet.
Dieser Beitrag basiert auf einer englischsprachigen Originalarbeit der Autoren, die im Journal of Tissue Engineering and Regenerative Medicine erschien [5].
Der Beitrag erscheint parallel auch in: Spitzenforschung Herz-Kreislauf-Medizin [19].
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Assmann, A., Akhyari, P. & Lichtenberg, A. Optimierung der Biofunktionalität und Struktur dezellularisierter kardiovaskulärer Implantate. Z Herz- Thorax- Gefäßchir 31, 206–213 (2017). https://doi.org/10.1007/s00398-017-0144-3
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