Engineering vascularized soft tissue

Abstract

Pehmytkudos käsittää elimiä yhdistävät, tukevat ja ympäröivät pehmeät kudokset kuten sidekudoksen, lihakset, hermot, verisuonet ja rasvakudoksen. Rasvakudoksen on todettu olevan sekä aktiivinen kudos että erinomainen ja helposti saatavilla oleva kasvutekijöiden ja kantasolujen lähde.

Pehmytkudosvaurioista kärsiviä potilaita ja kroonisten haavojen tai arpikudosten hoitoa tarvitsevia potilaita on lukuisa joukko, eikä heille ole tällä hetkellä tarjolla parantavaa hoitomuotoa. Kudosteknologia pyrkii tuottamaan uusia kudosrakenteita laboratoriossa, mutta ongelmana toimivien kudossiirrännäisten kehittämisessä on riittävän verisuonituksen puuttuminen, mikä merkittävästi rajoittaa uudentyyppisten kudosteknologisten hoitomuotojen kehittämistä. Verisuonituksen muodostumisen ja sen estämisen tutkiminen on lisäksi tärkeää useissa muissa sairauksissa kuten syövissä.

Väitöskirjassa tutkittiin verisuonituksen ja pehmytkudoksen kehittämistä kudosteknologisin keinoin. Työssä kehitettiin lisäksi solutestimenetelmiä verisuonimuodostuksen tutkimiseen.

Ensimmäisessä ja toisessa osatyössä tutkittiin ihmisen rasvakudoksesta eristetyn soluttoman proteiini- ja kasvutekijäuutteen kykyä aikaansaada uutta pehmytkudosta. Rasvakudosuute lisäsi solumalleissa sekä verisuonirakenteiden muodostumista että rasvakudoksen kantasolujen erilaistumista rasvasoluiksi. Rasvakudosuutetta sisältävän siirrännäisen todettiin aikaansaavan verisuonituksen muodostumista ja kypsän uuden rasvakudoksen syntymistä ihonalaiskudoksessa. Materiaalin todettiin olevan kudosyhteensopiva. Työssä tutkittu rasvakudosuute on lupaava soluton hoitomuoto käytettäväksi verisuonimuodostuksen ja pehmytkudoksen aikaansaamiseksi pehmytkudosvaurioissa.

Kolmannessa osatyössä kehitettiin rasvakudoksen kantasoluihin perustuva kolmiulotteinen verisuonimalli, joka muistuttaa ihmiskudoksen verisuonirakennetta. Tätä solumallia voidaan käyttää verisuonitutkimuksessa sekä kehitettäessä edistyneempiä ihmiskudosmalleja. Malli on sovellettavissa myös hoitotarkoituksiin tehtäviin kudossiirrännäisiin.

Neljännessä osatyössä tutkimustasoisesta verisuonisolumallista kehitettiin kansainvälisten standardien mukaisesti toistettava solutestimenetelmä. Testiä voidaan käyttää luotettavana menetelmänä lääkeaineiden ja kemikaalien turvallisuuden ja tehon testauksessa.

Tissue engineering aims at replacing or regenerating tissue structures. In tissue engineering, the most limiting factor is the successful vascularization of the transplanted construct or the transplantation area. The current major hurdle is the lack of a therapeutic method that would rapidly induce adequate vascularization which would also remain in tissue. The proper method for induction of vascularization would help several tissue engineering applications as well as numerous patients suffering from ischemic diseases, chronic wounds and soft tissue defects. In addition to the tissue engineering applications, investigation of the angiogenesis process is important for the treatment of different other diseases such as cancers. Therefore, in vitro angiogenesis assays that can predict human effects are required. Understanding the role of angiogenesis in adipose tissue is of especial importance, as vasculature regulates both the adipose tissue mass development and adipose tissue reduction and obesity is a cause of a distruction in normal adipose tissue homeostasis.

The aim of the current study was to study angiogenesis and adipogenesis induction in in vitro assays and in vivo. In the first part of the study, acellular angiogenic and adipogenic agent was extracted from adipose tissue and the bioactivity of the extract was tested in vitro and in vivo. In cell culture studies, this adipose tissue extract was shown to stimulate angiogenesis and adipose tissue stromal cell maturation towards adipocytes. In vivo, when combined with hyaluronan hydrogel, the extract was shown to induce sustained soft tissue formation. No hypersensitivity or foreign body reactions were seen. Adipose tissue extract has therefore potential to be used as an acellular alternative in the treatment of soft tissue defects for reintroducing soft tissue at the defect sites. Adipose tissue extract has also potential to be used to induce revascularization in ischemic tissues and to be used in other tissue engineering products that fail due to inadequate vascularization. Moreover, adipose tissue extract can be used as an inducer in an in vitro model of natural adipogenesis.

The second part of the study focused on developing in vitro methods for angiogenesis induction. We created a multilayered adipose stromal cell vascular network with properties of maturating vessels that can be used for studying angiogenesis in vitro, and especially, in the development of in vitro three dimensional tissue models as well as possibly as a vascularized platform in implantable soft tissue constructs. We also intra-laboratory validated an in vitro angiogenesis assay to be used as a routine cell assay for drug and chemical screening. The currently validated in vitro assay is a relevant-to-human bioassay that can be used for preclinical drug efficacy screening studies, and in addition, is applicable also for testing angiotoxicity of chemicals.