CN115708731A - 用于使用在活组织中提供连通的仿生结构的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了用于使用在活组织中提供连通的仿生结构的系统和方法。用于产生工程化组织的平台包括限定脉管直径并且被配置成用于接收脉管系统种子细胞的脉管导管、限定非脉管导管直径并且被配置成用于接收器官系统种子细胞的非脉管导管，以及形成于所述脉管导管和所述非脉管导管之间的屏障。
Description
相关申请的交叉引用
本申请基于2015年8月14日提交并且题为“用于使用在活组织中提供连通的仿生结构的系统和方法(SYSTEMS FOR AND METHODS FOR USING BIOMIMETIC STRUCTURESPROVIDING COMMUNICATION IN LIVING TISSUE)”的第62/205,214号美国临时申请、要求其优先权并且所述申请以全文引用的方式并入本文中。
背景技术
器官移植对于患有末期器官疾病的患者为切实可行的治疗。然而，在美国和全世界，患者的数量大于器官捐献者的数量。等待肝、肺和心脏移植的患者通常由于长移植等待时间而无法接收器官。作为器官短缺的解决方案，组织工程化器官可用于辅助或甚至替代器官。
组织工程化实体重要器官(如肝或肾)的开发通常取决于两个主要组成部分-实质细胞和向实质细胞供应氧气和营养物的脉管网。氧气和营养物从血管通过组织的扩散距离非常短(例如，几百微米)。如果细胞如肝细胞在三维支架中生长并且在体内放置在毛细血管床附近，那么仅非常接近于血管的细胞才能存活。随时间推移，新血管可生长到移植细胞中，然而，远离现有血管的许多细胞将在无立即血液供应的情况下死亡。
用于使这类细胞生长的本设计提供脉管网作为用于组织工程化实体器官的支架的中心部分。脉管网用于血液供应以将氧气和营养物递送到也放置在支架中的其它细胞以赋予器官其功能(例如，用于组织工程化肝的肝细胞)。此方法允许通过入口血管而将脉管网设计成用于特定器官，所述入口血管吻合到灌注实质细胞的最小血管的固有循环。在血管已经接近实质细胞恰当定位的情况下移植此组织工程化器官。这允许产生和移植厚实体器官如肝、肺、心、肾、或其它器官或组织。
在体内，供应器官的血管通常作为一个单一血管进入器官(通常为动脉)，并且然后以一种模式分支，从而使血管直径减少并且使其表面积大大增加，直到其形成被称为毛细血管的最小血管为止。毛细血管向器官的细胞供应氧气和营养物并且去除废产物。通过毛细血管，血管以类似分支模式聚集而以通常作为单一血管(通常为静脉)离开器官。
在本领域中需要具有这类生理脉管网的组织工程化器官以在移植之后提供持久的器官功能。因此，期望的是提供系统和方法，用于提供具有类似于天然器官的结构并且能够在不功能失常的情况下具有持续充足时间段的类似效能的组织工程化器官。
发明内容
本公开通过提供系统和方法来克服前述缺点，所述系统和方法提供可用于替代活体内或活体外的器官，辅助器官，临时替代器官和确定药物对人类细胞的功效和安全性的组织工程化器官。本文所述的本发明技术包括仿生脉管网的理论、概念、设计、制造、测试和应用。这些脉管网具有作为支架的中心部分的应用，用于产生组织工程化结构，如器官或其它哺乳动物组织。存在此技术的其它应用，例如作为用于药物发现、开发和/或评价(例如，毒性、安全性和/或功效)的工具或平台以及作为用于体外或活体内研究和测试的平台。
更具体地说，本公开提供包括管状结构的系统，所述管状结构使器官组织细胞与脉管系统连通，使得新细胞接收营养并且可与其它系统正常连通以在较大区间内支持更持久的生长。
在一个配置中，提供用于组织工程化的支架。支架包括限定脉管直径并且被配置成用于接收脉管系统种子细胞的脉管导管、限定非脉管导管直径并且被配置成用于接收器官系统种子细胞的非脉管导管，以及形成于脉管导管和非脉管导管之间并且大小设定成使得可进行扩散但禁止接种细胞在脉管导管和非脉管导管之间迁移的开口。
在另一配置中，提供用于填充管状结构的方法，所述管状结构包括被配置成用于接收脉管系统种子细胞的脉管导管和被配置成用于接收器官系统种子细胞的器官组织导管。方法包括使水凝胶在第一方向上流动通过脉管导管，使水凝胶在与第一方向相反的第二方向上流动通过器官组织导管，引入螯合剂，在脉管导管和器官组织导管之间形成屏障同时维持流动通过脉管导管和通过器官组织导管，从脉管导管和器官组织导管中冲洗水凝胶同时维持屏障完整，用脉管系统细胞接种脉管导管，以及用器官组织细胞接种器官组织导管。
在另一配置中，提供填充管状结构的另一方法，所述管状结构包括被配置成用于接收脉管系统种子细胞的脉管导管和被配置成用于接收器官系统种子细胞的器官组织导管。方法包括用水凝胶装填器官组织导管，维持管状结构在约三十七摄氏度，用脉管系统细胞接种脉管导管，使管状结构冷却到低于约三十七摄氏度，从器官组织导管排出水凝胶同时在脉管导管和器官组织导管的交接面处产生屏障，以及用器官组织细胞接种器官组织导管。
在结合附图而阅读以下详细描述后，本发明的这些和其它特征和优点将变得显而易见。
附图说明
图1为根据本公开的一个方面的管状结构的示意性图示。
图2为肝的横截面图解视图。
图3为生长的肝细胞的横截面视图。
图4a为根据本公开的另一方面的管状结构的横截面视图。
图4b为根据本公开的另一方面的管状结构的横截面视图。
图4c为根据本公开的另一方面的管状结构的横截面视图。
图4d为根据本公开的另一方面的管状结构的横截面视图。
图5为以活细胞填充的图4a的管状结构的图解视图。
图6为根据本公开的另一方面的管状结构的横截面视图。
图7为根据本公开的另一方面的管状结构的图解视图。
图8为根据本公开的另一方面的管状结构的图解视图。
图9为根据本公开的另一方面的管状结构的图解视图。
图10为使用3D打印机生产的导管的示意图。
图11为用于使用3D打印生产的导管的熔模铸造模具的示意图。
具体实施方式
本公开提供克服与组织工程化脉管网和人工实体器官相关联的许多现有技术挑战的系统和方法。通过结合附图的某些实施例的以下详细描述，本文中所公开的技术的优点和其它特征对于本领域普通技术人员将变得更加显而易见，所述附图列举本发明的代表性实施例并且其中相似参考编号标识类似结构元件。
应理解，本发明技术不旨在限于所描述实施例中讨论的特定构造和方法，因为所属领域的技术人员可在阅读本公开之后使用变化形式扩展所涉及的概念。虽然可在本发明技术的实践中使用类似于或等效于本文中所述的那些方法和材料的任何方法和材料，但下文描述某些组合物、膜、方法和材料。本文中所有相对描述如顶、底、左、右、上和下均参考附图，而不意味着具有限制性意义。
通过鉴别和学习体内血管的基础结构来帮助产生充分运行的最佳脉管网设计的方法。动脉、毛细血管和静脉的脉管网为复杂的。然而，可在目前可获得的制造方法的极限内采用基本结构原理。存在已在本发明技术中利用并且结合到本文所述的仿生脉管网的设计中的血管的若干基础原理。同时使用计算流体动力学(CFD)分析有利地改进概念和所得设计。为此目的，在2013年11月26日发布的美国专利第8，591，597号为了所有目的以全文引用的方式并入本文中。
图1示出提供肝结构的组织工程化管状结构14，其从大导管部分18通过分支结构通向毛细血管部分22。如同以上实例一样，组织工程化管状结构14包括在其间布置有屏障34的脉管导管26和非脉管导管30。脉管导管26与非脉管导管30的邻接维持成通过分支结构从大导管部分18到毛细血管部分22。导管26、30以活细胞填充，因此所有导管(不管其大小如何)通过伴随的脉管导管26来滋养。布置在相邻的导管26、30之间的屏障34允许氧气和营养物通过，而抑制细胞在支架内漂移或移动。下文相对于图4-9所讨论布置示出不同支架/结构可如何用于在脉管系统和胆道系统之间提供功能性滋养和连通。
图2示出在肝24内布置的数百万管状结构。组织工程化管状结构14旨在模拟具有功能的肝38的结构。图3示出在其管状或胆管期时形成的许多肝组织细胞。
图4a示出包括脉管导管46和非脉管导管50或在此实例中器官组织导管的管状结构42。根据本文所提供的非限制性实例，非脉管导管50可被称为器官组织导管，并且在本发明中，使肝工程化的非限制性实例可被称为胆道或胆汁导管50。脉管导管46通过功能类似于肝38中的窦周隙(Space of Disse)的屏障54来与胆汁导管50隔开。示出在图4a中的屏障54为形成于脉管导管46和胆汁导管50之间并且大小设定成小于各个脉管或非脉管细胞的最小尺寸使得接种细胞维持在所期望导管46、50内的开口空间，如在下文进一步详细所论述。
说明的脉管导管46为毛细血管部分22的一部分并且限定约二十微米(20μm)的直径。脉管导管46可在大导管部分18中的上游限定至多约一厘米(1cm)的直径。
说明的胆汁导管50为毛细血管部分22的一部分并且限定约五十微米(50μm)的直径。胆汁导管50可在大导管部分18中限定至多约三厘米(3cm)的直径。
图4a示出呈限定宽度约二微米(2μm)的空间(例如，空隙、开口、间隙、槽、通道、孔等等)形式的屏障54。屏障54可采用不同尺寸。举例来说，图4b示出呈限定宽度约四微米(4μm)的空间形式的屏障54b。示出在图4c中的屏障54c为限定宽度约六微米(6μm)的空间。示出在图4d中的屏障54d为限定宽度约八微米(8μm)的空间。屏障54为例示性的，并且本领域的技术人员将认识到可利用其它尺寸同时成功地实践本公开。举例来说，在其中屏障包括膜或旨在限制在脉管导管46和非脉管胆汁导管50之间的物质转移的其它物理结构的布置中可利用显著较大的屏障，也就是说较宽屏障。
图5示出管状结构42，其以脉管系统细胞58填充并且提供在第一方向A(进入页面)上的血流，并且以胆系统细胞62填充并且提供在第二方向B(离开页面)上的胆汁流动。在一个配置中，示出在图5中的管状结构42可用于替代或辅助赫林管(Canal of Hering)下游的胆小管(bile canaliculi/bile ductule)部分。
屏障54被设计成维持脉管导管46与非脉管或胆道导管50在空间上隔开，同时提供在脉管系统和非脉管系统之间的连通。换句话说，屏障54可为如图4a-4d中所示的空间，或，可为具有基于作为非限制性实例的窦周隙而以仿生学方式有利地设计的特征的半渗透膜。包括半渗透膜或临时膜的屏障将在下文参考图7-9讨论。孔或开口大小可变化，但使得可跨屏障54进行扩散和气体和/或废物交换。
除脉管导管46和非脉管导管50以外，多种管状结构可有利地用于产生用于组织工程化的总体系统或平台。举例来说，图6示出可用于在此非限制性实例中形成肝38的分支结构的一部分的其它管状结构66。其它管状结构66包括包围和滋养较大胆道导管74的多个毛细血管型脉管导管70。多个屏障78布置在每个脉管导管70和胆道导管74之间。在所描绘的配置中，在中心胆道导管74周围利用十个脉管导管70。在其它配置中，大于十个或小于十个脉管导管70可被包括并且可限定与胆道导管74的不同关系。图6再次示出以脉管系统细胞58和胆道系统细胞62填充的管状结构66。
下文所讨论的图7-9涉及用于将细胞装载到导管并且在流动和细胞装载期间保持细胞群隔开的例示性管状结构和系统。具体地说，图7示出包括脉管导管86、胆道导管90和布置在脉管导管54与胆道导管58之间的屏障94的管状结构82。屏障94通过使水凝胶在第一方向C上流动通过脉管导管86并且使水凝胶在第二方向D上逆流通过胆道导管90而形成。然后引入螯合剂，其引起水凝胶在脉管导管86和胆道导管90之间的交接面处形成屏障94，同时流动在相应管中持续。一旦形成屏障94，就可接种脉管系统细胞58和胆道系统细胞62。
图8和9示出包括脉管导管102、胆道导管106和屏障110的管状结构98。可通过例如在三十七摄氏度(37℃)下首先用胶原蛋白的一般固体水凝胶装填胆道导管106形成屏障110。然后用脉管系统细胞58接种脉管导管102。一旦脉管系统细胞58附着，管状结构98接着就可被冷却低于三十七摄氏度(37℃)，从而液化胶原蛋白的水凝胶。然后胶原蛋白的水凝胶可从胆道导管106去除或冲洗，如图9中通过箭头E所说明，并且可接种胆道系统细胞62。
在上文中论述的包括物理屏障(例如，示出在图7-9中的那些)的配置中，水凝胶或其它材料可为仅在接种期间在适当位置并且在建立活细胞之后去除的临时结构，或视需要屏障材料可在接种之后保持在适当位置。
可使用其它水凝胶，包括例如聚乙二醇或镓金属。一些细胞群可来自干细胞源，尤其来自诱导性多能干细胞。在一个配置中，脉管系统细胞58可为内皮细胞并且胆道系统细胞62可为肝细胞或胆细胞。
在上文中论述的特定管状结构提供在限定不同屏障宽度的脉管导管和非脉管导管之间的屏障。另外，屏障可包括大小设定成使胆道细胞和脉管细胞在空间上隔开的简单开口空间，或屏障可包括物理屏障。脉管导管和非脉管导管可相对于彼此布置以提供在其间提供期望连通的交接面或屏障宽度。连通程度将与屏障宽度的大小成比例。上述系统和方法可修改以提供宽度在导管的全部直径(即，屏障宽度等于脉管直径或非脉管直径)和零(有效切断在期望部分中的脉管导管和胆道导管之间的连通)之间的屏障。在一些配置中，脉管直径和胆道直径可不同。
在一个实施例中，在上文中论述的管状结构可使用3D打印来构造。举例来说，沉积3D打印可用于形成呈期望结构和分支系统形式的中空管。3D打印为其中材料层通过如通过实体模型或编程几何结构确定的打印机头部来沉积的增材制造过程。3D打印技术正在快速发展中并且提供用于由适合于多种用途的材料以精确和准确几何结构产生极小型零件的构造方法。在当前情况下，管状结构可由在工业中鉴别为对于组织工程化支架材料为成功的合适材料形成。图10表示可如何打印增材层114以形成极小规模的导管118。如图10中所示，在小规模下，制造公差对最终产品(例如，导管118)具有显著影响。在制造过程中的这类不一致将更加明显，因为导管118变得较小(例如，在图1中示出的分支组织工程化管状结构14的毛细血管部分中)。示出在图10中的影响可被称为抖动并且产生不完全平滑的导管内部。通过3D打印过程来引入的问题(即抖动)在本申请案中不存在严重风险，因为在脉管导管和器官组织导管内的粗糙侧壁不为不期望的。
图11表示利用3D打印来构造在上文中论述的管状结构的替代方法。层122可经沉积并且被塑形成限定导管模具126的内部形状。层122由适合于熔融的材料构造并且用于熔模铸造模具。为了产生期望的实际管状结构，导管模具126容纳于模腔(未示出)并且用于管状结构的期望材料允许在导管模具126周围流动和固定。在管状结构固定的情况下，融掉导管模具126，从而留下最终和可使用的管状结构。同样，通过3D打印过程来提供的公差与上述公开内容的需要和要求一致。
除导管之外，3D打印可用于形成在脉管导管和非脉管导管之间的屏障。举例来说，临时水凝胶屏障可在适当位置打印，从而通过打印机直接生产即可接种的支架。
因此，上述系统和方法提供可用于提供可用于替代或辅助失效器官组织的较大组织工程化样品的结构的实例。以上配置参考肝和胆道细胞来描述。然而，相同概念可适用于提供用于其它器官组织(包括肺等)的成功结构。另外，在脉管支架隔室和非脉管支架隔室之间的相互连通的概念可具有除器官组织应用以外的用途。举例来说，面部移植可受益于包括彼此选择性地互连并且由一个或多个互连脉管隔室支撑的多个非脉管隔室的支架结构。举例来说，在管状或非管状配置中非脉管隔室或结构可包括骨骼隔室、软骨隔室、肌肉隔室、神经隔室、软组织隔室、皮肤隔室等等的组合。这些隔室可被布置有在其间的屏障以允许期望量或类型的连通。一个或多个脉管隔室可被布置成提供与非脉管隔室的营养物交换，从而一旦建立，就支持生长和健康活细胞。
这类复杂的组织工程化结构可基于患者的CT扫描并且使用3D打印机构造以匹配患者的天然结构。然后打印的支架可适当地用传信干细胞接种。用恰当几何结构和构造，可以此方式建构所有重要器官和复杂组织。
已经根据一个或多个优选实施例方面描述本发明，并且应了解除明确陈述的那些外，许多等效物、替代方案、变化形式以及修改是可能的并且在本发明的范围内。
Claims (19)
1.一种人造器官，包括：
管状结构，管状结构包括分支结构，分支结构包括：
被配置为接收第一多个活细胞的多个脉管导管；
被配置为接收第二多个活细胞的多个非脉管导管，其中：
管状结构是人造器官的整体三维部分，
所述多个脉管导管和所述多个非脉管导管相对于彼此布置以在所述多个脉管导管和所述多个非脉管导管之间提供界面，并且
屏障形成在所述多个脉管导管和所述多个非脉管导管之间的界面处，其中所述屏障包括根据所述界面的特征宽度以允许所述多个脉管导管和所述多个非脉管导管之间的一定程度的流体连通。
2.根据权利要求1所述的人造器官，其中，所述屏障的特征宽度小于所述多个脉管导管中的相应脉管导管的直径或所述多个非脉管导管中的相应非脉管导管的直径。
3.根据权利要求1所述的人造器官，其中，所述屏障包括水凝胶。
4.根据权利要求3所述的人造器官，其中，所述水凝胶包含胶原蛋白。
5.根据权利要求1所述的人造器官，其中，所述第二多个活细胞包括肝细胞或胆管细胞。
6.根据权利要求1所述的人造器官，其中，所述第一多个活细胞包括内皮细胞。
7.根据权利要求1所述的人造器官，其中，所述多个脉管导管中的相应脉管导管的直径与所述多个非脉管导管中的相应非脉管导管的直径不同。
8.根据权利要求1所述的人造器官，其中，所述屏障包括半透膜。
9.根据权利要求1所述的人造器官，其中，所述管状结构被配置为在第一方向上接收所述第一多个活细胞并且在第二方向上接收所述第二多个活细胞。
10.根据权利要求9所述的人造器官，其中，所述第一方向与所述第二方向相反。
11.根据权利要求1所述的人造器官，其中，所述特征宽度小于所述第一多个活细胞和所述第二多个活细胞中的相应细胞的最小尺寸。
12.根据权利要求1所述的人造器官，其中，所述第一多个活细胞和所述第二多个活细胞包括哺乳动物细胞。
13.根据权利要求12所述的人造器官，其中，哺乳动物细胞选自：牛细胞、马细胞、人细胞、羊细胞、猪细胞和啮齿动物细胞。
14.根据权利要求1所述的人造器官，其中，所述第一多个活细胞和所述第二多个活细胞包括器官干细胞。
15.根据权利要求14所述的人造器官，其中，所述第一多个活细胞或所述第二多个活细胞选自：膀胱细胞、成纤维细胞、心脏细胞、肠细胞、肾细胞、肝细胞、肺细胞、胰腺细胞、骨骼肌细胞、软组织细胞和舌细胞。
16.根据权利要求1所述的人造器官，其中，所述管状结构包括可再吸收材料或可生物降解材料。
17.根据权利要求1所述的人造器官，其中，所述屏障包括开口，所述屏障的特征宽度是所述开口的直径。
18.根据权利要求1所述的人造器官，其中，所述人造器官是人造肝脏器官，其中：
所述多个脉管导管中的相应脉管导管的直径为约20μm至约1cm，所述第一多个活细胞包括多个哺乳动物活细胞中的多个内皮细胞；和
所述多个非脉管导管中的相应非脉管导管的直径为约50μm至约3cm，所述第二多个活细胞包括多个哺乳动物活细胞中的多个肝细胞。
19.根据权利要求1所述的人造器官，其中，所述屏障的特征宽度范围为约2微米至约8微米。
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