Diese Arbeit wurde vom US-Armee Grant (W81XWH-08-1-0701) und ein Stipendium Carle Foundation Hospital finanziert.

Vorgehensweise ist in die volle Kompatibilität mit IACUC Protokollnummer 13302 und wurde von der Abteilung von Tier Ressourcen genehmigt. 1. Instrumentenaufbereitung <ol><li> Autoklaven alle Nicht-Einweginstrumente vor dem chirurgischen Verfahren verwendet werden, um Sterilität zu gewährleisten. </li><li> Sterilisieren Instrumente mehrfach in einer Session mit einer Glasperle Sterilisator zwischen den Anwendungen verwendet. </li></ol> 2. Hydrogelpräparat <ol><li> Auftauen und Platte Stammzellen mindestens 24 Stunden vor der Erstellung des Hydrogels Konstrukt. </li><li> Vorbereitung Patches einen Tag vor dem chirurgischen Eingriff unter Verwendung eines Stereolithographievorrichtung (oder ein ähnliches Instrument), welches in allen Einzelheiten in früheren Publikationen 8,18 beschrieben wurde. </li><li> Um das Hydrogel zu erstellen, zuerst einen Computer Aided Design (CAD) Modell des gewünschten Patches erzeugen und exportieren Sie das Design an Stereolithographie Format (STL). </li><li> Erstellen Sie eine pre-Gel-Lösung durch dissolving Poly (ethylenglycol) dimethacrylat (PEGDMA) in sterile 1x PBS, um eine 20% w / v-Lösung zu erhalten. Gleichzeitig lösen sich die Photoinitiator 1- [4- (2-hydroxy- ethoxy) phenyl] -2-hydroxy-2-methyl-1-propan-1-on in DMSO. Fügen den Photoinitiator zu dem PEGDMA Lösung bei einem End w / v von 0,5%. Direkt vor der Vernetzung, werden 100 ml der gewünschten Dichte der Zellen. Hinweis: eine Zelldichte zwischen 2,0 x 10 5 -2.0 x 10 6 Zellen / ml empfohlen. </li><li> Pipettieren Sie die Pre-Gel-Lösung in eine Schale in der Mitte des SLA-Plattform und führen Sie die SLA-Software mit dem zuvor hochgeladenen STL formatiert Design. </li><li> Entfernen Sie die Flecken aus der Vorrichtung und inkubieren der Hydrogele O / N in Dulbeccos modifiziertem Eagle-Medium (DMEM) mit 5% fötalem Rinderserum (FBS), 100 U / ml Penicillin und 100 mg / ml Streptomycin, damit für die Zellen zu justieren an die Umgebung im Pflaster. </li></ol> 3. Vorbereitung der Tiere und Oral intubatiauf <ol><li> Beurteilen Sie jede Maus vor dem Verfahren, um sicherzustellen, dass das Tier in guter Gesundheit, wie aus ihrer Pflege Gewohnheiten und Interaktionen mit ihren Käfiggenossen bestimmt. Anmerkung: Weiblich 8-10 Wochen alte C57BL / 6J-Mäusen wurden für dieses Verfahren verwendet wird, jedoch jede Maus Alter oder der Art verwendet werden kann. </li><li> Zeigen die Tiere in einem Narkosekammer und setzen auf 5% Isofluran mit einem 1 l / min O 2 Unterstützung. Überwachen Sie das Niveau der Anästhesie durch toe Prise Reflex. </li><li> Sobald das Tier richtig betäubt wird, wiegen und legen sie auf die Intubation Ständer. </li><li> Leiten eine Lichtquelle in Richtung Brustkorb des Tieres und verwenden Pinzette, um den Kehlkopf-Oberfläche zurückziehen und setzen die Stimmbänder. Sorgfältig führen eine 20 G Angiocath zwischen den Stimmbändern und reibungslos in die Trachea einzuführen. Erkennen die richtige Einsetzen durch eine mechanische Bewegung des Brustkorbs, wenn der Katheter mit dem Kleintierbeatmungsgerät angeschlossen. </li><li> Passen Beatmungseinstellungen zu the Gewicht des Tieres anhand von Richtlinien des Herstellers. </li><li> Sobald intubiert, legen Sie das Tier in Rückenlage auf einem Heizkissen, um Unterkühlung zu verhindern. Sicherzustellen, daß die Heizmatte nicht über 40 ° C nicht überschreiten. Falls erforderlich, stellen eine Barriere zwischen dem Tier und dem Heizkissen, um die Möglichkeit von Verbrennungen zu minimieren. </li><li> Entfernen Haare von der Operationsstelle durch die Verwendung einer Enthaarungscreme. Sterilisieren Sie die Website von 3 Wechsel scheuert von Betadin und 75% Ethanol, um die ordnungsgemäße Sterilisation gewährleistet. Legen Sie ein Tuch, um nur die Operationsstelle freizulegen, und legen Sie vet Salbe auf die Augen bis zur Trockenheit während des Verfahrens zu verhindern. </li></ol> 4. Chirurgische Verfahren <ol><li> Der Thorakotomie auf der linken Seite des Tieres durchgeführt wird, erschweren daher einen Hautschnitt von ungefähr 1 cm auf der linken Seite des Brustbeins, die die Länge des Brustbeins verläuft. </li><li> Verwenden einer Pinzette, um die Muskelschicht von der darunter liegenden Brustkorb in zwei Schritten zu trennen. Beachten Sie eine delinetriebs Linie, die die großen Brustmuskulatur des Tieres darstellt. Heben Sie diesen Muskel leicht, trennen sie von der zugrunde liegenden Äußerer Schrägmuskel und zurückzuziehen medial. Dann befreien den Äußerer Schrägmuskel von der darunter liegenden Brustkorb in der gleichen Weise, und zurückzuziehen seitlich und bietet einen ungehinderten Blick von der zweiten, dritten und vierten Rippen. </li><li> Führen Sie die Thorakotomie zwischen der dritten und vierten Rippen. Heben Sie die vierte Rippe und verwenden Sie ein Ausbrenner, um den Brustraum zwischen der dritten und vierten Rippen zu öffnen. Zeigen Wundhaken, um den Hohlraum weiter zu öffnen und setzen die Herzen. </li><li> Verwenden einer Pinzette, um die dünne Perikard des Herzens brechen. </li><li> Ligieren der linken Koronararterie mit einem 8-0-Monofilament-Nylonnaht. Platzieren der Naht etwa 4 mm von der Spitze des Herzens, befindet sich direkt unterhalb der unteren Spitze des linken Atriums. Bestimmen richtige Nahtplatzierung durch einen Blanchieren des ventrikulären Myokards und eine Zunahme der Grße des linken Vorhofs nach Suture wurde gebunden. </li></ol> 5. Patch-Placement und Kleber <ol><li> Halten Patches bei 37 ° C und 5% CO 2 Bedingungen bis zur Verwendung. </li><li> Heben Sie den Patch mit einem flachen ended Spachtel und legen Sie sie vorsichtig auf der Oberfläche des Herzens, an der Stelle des Infarkts. Hinweis: Um ein Abrutschen der linken Herzkammer zu verhindern, kann der Patch an Ort und Stelle durch leichtes ständig in Kontakt entweder mit dem Spachtel oder die Spitze einer Pinzette gehalten werden. </li><li> Vorbereitung des Klebers durch Mischen eines 4: 1-Verhältnis von Fibrinogen zu Thrombin. Mische die Lösung durch wiederholtes Pipettieren, bis es zu verdicken beginnt, in der Regel innerhalb von 1 min nach dem Beginn der Zubereitung. </li><li> Sobald die Viskosität der Lösung das gewünschte Niveau erreicht, etwa 10 ml schnell auf die Patch-Oberfläche zu übertragen. Anmerkung: Die Gerinnungszeit des Fibrinklebers schnell ist, die eine kleine Zeitfenster für eine effiziente Übertragung des Klebers. </li></ol> 6. Naht <ol><li&gt; Führen Sie alle Schließnähte mit einem 6-0 Monofilament-Nylonnaht. </li><li> Schließen Sie die Rippenschicht drei bis vier Einzelknopfnähten. </li><li> Vor der vollständigen Schließung der Zwischenrippenschicht, legen Sie eine PE-10-Kanüle in den Einschnitt, den Brustraum zu evakuieren nach dem Schließen und Wiederherstellung abgeschlossen ist richtige intrapleural Druck. </li><li> Schließen Sie die Brustmuskeln drei bis vier Einzelknopfnähten. </li><li> Verschließen Sie die Hautschicht mit einer fortlaufenden Naht. </li><li> Nach Vollsperrung, legen Sie eine 1,0 ml Spritze mit dem Ende der Kanüle und es verwenden, um den Brustkorb zu evakuieren. </li><li> Tragen Sie eine Gewebekleber auf der Einschnittstelle, um die Naht Ort zu verstärken. </li></ol> 7. Post-operative Behandlung <ol><li> Geben Mäuse eine Injektion von Buprenorphin (0,05 bis 1,0 mg / kg) und Carprofen (2,2 mg / kg) subkutan unmittelbar nach dem Koronarligatur und mindestens 20 Minuten vor der Wiederbelebung. Beide Medikamente verabreichen 6-8 Stunden nach der Operation, Und geben Sie dann zweimal täglich für bis zu drei Tage, um Schmerzen und Leiden zu kontrollieren. </li><li> Die Tiere bis zum bewussten und jede Stunde für den ersten 4 Stunden nach der Operation zu überwachen. Führen Sie eine zweite Überprüfung der Nacht nach der Operation (2-4 Stunden später), um eine zweite Dosis Analgetikum zu verabreichen. </li><li> Überwachen Sie die Tiere täglich nach dem zweiten Tag nach dem Eingriff, bis Tieren stabil erscheinen. </li></ol> 8. Analyse der Herzfunktion und Histologie <ol><li> Führen Echokardiographen auf den Mäusen 4 Wochen nach dem Eingriff, um das Ausmaß der Schäden nach dem MI bestimmen. </li><li> Betäuben Mäusen mit 4-5% Isofluran in einer Narkose Kammer für die Induktion der Inhalationsnarkose, und dann 2% Isofluran via Gesichtsmaske zur Aufrechterhaltung der Narkose. </li><li> Deaktivieren Sie den Imaging-Bereich mit einer Enthaarungscreme und verwenden Sie ein kleines Tier Ultraschall, um eine 2D-M-Mode-Echokardiographie Scan des schlagenden Herzens zu erhalten, und notieren Sie die Funktionsparameter assomit ihm abgeschrieben. </li><li> Euthanize die Mäuse in einer Kohlendioxidkammer, dann sammeln die Herzen von den Tieren und in eine 10% Formalin-Lösung für 24 Stunden. Nach 24 Stunden übertragen, die Herzen zu 70% Ethanol und halten bei 4 ° C bis zur Gewebeverarbeitung. </li><li> Verarbeiten Sie die Herzen und betten sie in Paraffinblöcken. </li><li> 5 mm geschnitten Schnitte durch den ventrikulären Bereich des Herzens, beginnend an der Spitze beginnt und am Atrium. </li><li> Stain geschnittene Scheiben sowohl mit Massons Trichrom und Hämatoxylin und Eosin-Färbung unter Verwendung von Standardprotokollen. </li></ol>

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The authors declare that they have no competing financial interests.

Mit diesem Ansatz konnte murinen MI-Modell haben wir ein System, das die Schädigung von Nicht-Myokard Bereichen, die mit anderen murinen MI Techniken verbunden werden minimiert entwickelt. Diese Bereiche umfassen Schädigung durch eine Tracheostomie verursacht, das Schneiden der Muskelschicht, und das Brechen der Rippen, um die Brusthöhle freizulegen. Wir glauben, dass diese Änderungen zur Verbesserung der allgemeinen Operationsergebnis durch die Sorgfalt, so viel von der Hauptstrukturen, einschließlich der Rippen und Muskelschichten intakt während des chirurgischen Eingriffs zu halten. Es sollte beachtet werden, dass es einige Einschränkungen dieser Technik mit dem größten wobei seine Zeitaufwendigkeit werden, was nur 8-10 vollständige chirurgische Verfahren an einem Tag. Um dies zu überwinden, kann ein zweiter Ventilator eingesetzt werden, so dass für das Verfahren auf zwei Tiere gleichzeitig durchgeführt werden. Zusätzlich großen Gefäße, wie beispielsweise die Interkostalgefäße undInnere Brustwandarterie, sollte bei der Durchführung der Thorakotomie vermieden werden. Wenn in der Nähe eines dieser Schiffe, sollte ein Ausbrenner verwendet werden Ausbluten aufgrund einer geplatzten Arterie zu verhindern. Fibrinkleber wird sowohl in der Labor- und klinischen dank seiner Fähigkeit, schnell in die Gerinnselbildung zu unterstützen, ebenso wie das Potential zu liefern und Wirts MSCs 14-17,19 bekannt. Für unsere Zwecke gedient Fibrinkleber als biokompatibles Ansatz Anhaften eines Wasserbasis Hydrogel zu konstruieren, um die Oberfläche des Herzens. Die Verwendung einer auf Fibrin basierende Kleber bei der Beibehaltung der Hydrogel-Konstrukt an der beschädigten Stelle für bis zu 8 Wochen, wobei die Möglichkeit für Gewebekontakt einer längeren Zeitspanne erfolgreich erwiesen. Die Verwendung dieses Haftsystem erlaubt Steuer zur Plazierung der empfindlichen Konstrukt ohne die Notwendigkeit für zusätzliche Nähte, die den Herzmuskel und das Konstrukt selbst schaden. Wir haben festgestellt, dass der Klebstoff selbst ist nicht-toxisch für die verkapselten Zellen and nicht negativ auf das darunter liegende Gewebe. Das Hydrogel und Fibrin basierende Klebersystem kann auf eine Vielzahl anderer Zwecke des Tissue Engineering, die Zelle oder therapeutischen Kontakt Wunsch nach einem längeren Zeitraum angewendet werden. Ferner mit der Verwendung des SLA-Herstellungsverfahren, Designs und Strukturen können im Pflaster eingearbeitet werden, um ein komplexes System zur Zellabgabe 18 zu schaffen. Ein Rückschlag für die Nutzung der auf Fibrin basierende Kleber ist die Tatsache, dass mehr als ein Forscher muss im Operationssaal während der Patch-Platzierung und Kleber zusätzlich vorhanden sein. Es ist die Aufgabe der ersten Forscher, um sicherzustellen, dass der Patch bleibt bestehen und nicht in der Brusthöhle verloren gehen, während die zweite Forscher mischt die Lösung und wendet sie auf dem Pflaster, nachdem geeignete Viskosität erreicht ist. Um den Zeitpunkt der Abgabe des Klebers zu optimieren, wird vorgeschlagen, dass der zweite Forscher auch Tests und Zeiten die Gelierung des Klebstoffs vor dem Patch-Platzierung,Da korrekte Gelierung des Klebers kritisch für Patch Haftung. Es gibt eine Anzahl von wichtigen Schritte und fehleranfällige Bereiche innerhalb des Protokolls, wobei die erste ist die Induktion der Myokardinfarkt. Es ist zwingend, für Schilder, wie Blanchieren der linksventrikulären Wand und der Vergrößerung des linken Atriums zu überprüfen, um Okklusion der linken Koronararterie zu gewährleisten. Dies kann durch einfaches Anziehen der Kreuzung und des Nahtmateriales Saiten vor der Zugabe der Masche erfolgen. Wenn bestimmt wird, dass die linke Koronararterie wird nicht durch die Naht eingeschlossen sind, kann die Schnur herausgenommen und wieder aufgebracht werden. Eine zweite kritische Maßnahme weiterhin den Intubationsschlauch während des gesamten Verfahrens zu überwachen, um sicherzustellen, dass sie innerhalb der Trachea verbleibt und nicht heraus Mitte Operation gezogen bekommen. Schließlich in der gesamten Operation sollten alle Versuche unternommen werden, um den Kontakt mit den Lungen zu vermeiden, da jeder Kontakt das Potential hat, zu einem Lungenkollaps führen.Wenn während der Operation, Lunge Kollabieren auftritt, einfach blockieren die Ausflussrohr des Intubator für bis zu 3 Sekunden in einem Versuch, wieder aufgehen unruhigen Regionen der Lunge.

Einen Myokardinfarkt (MI) ist als die Unterbrechung des Blut zu einem Bereich des Herzens durch den Verschluss einer Koronararterie verursacht großen definiert. Der Schaden durch eine resultierende MI ist auf die Umgestaltung der lebensfähigen Herzgewebe in nichtfunktionelle Narbengewebe, das die Fähigkeit des Herzens, oder, genauer gesagt, die linke Herzkammer, um richtig zu schlagen abnimmt. Dies führt zu einer Abnahme des Volumens an Blut, die auf den Körper mit jedem Herzschlag, wie das Hubvolumen bekannt, und der Prozentsatz von Blut, das mit jedem Herzschlag aus dem Herzen gepumpt wird, da die Auswurffraktion 6 bekannt geliefert werden kann. Diese, zusammen mit anderen Funktionen vermindert, erhöht sich die Belastung für den Rest des Herzens, um eine angemessene Funktion aufrecht zu erhalten. Oft kann diese erhöhte Belastung so schwerwiegend werden, dass sie einen zweiten Herzinfarkt, ein Phänomen, bei etwa 10% der Individuen 7 ersichtlich bewirkt. Während Arztpraxen entwickelt haben, um zu behandeln,Unmittelbar nach einem MI hat keine Technik entwickelt, um anzuhalten, langsam, oder umgekehrt die negativen Nebenwirkungen der Gewebeumbau. Stammzelltherapien als mögliche Weg für eine solche Behandlung trotz ihrer vielversprechendes Potential sich jedoch gezeigt, wurden Stammzellen in der Klinik nicht bewährt. Eine Theorie für ihre Mängel ist die Unfähigkeit, zu gewährleisten, die positiven Zellen an der Stelle des Infarkts lang genug, um gute Ergebnisse zu erzeugen 5 bleibt. Es hat sich gezeigt, dass nicht mehr als 24% der Zellen, die einfach in der Stelle des Infarkts injiziert lebten und blieb an der beschädigten Stelle 1 Tag nach der Lieferung 2. Eine mögliche Perspektive für Lösung dieses Problems der Zellrückhaltung ist es, biokompatibles Hydrogel-Systeme, die entweder Zellen oder Therapeutika, die mit dem geschädigten Ort geliefert werden kann kapseln zu entwickeln. Hydrogel nach Wahl in diesem Protokoll ist ein Poly (ethylenglycol) dimethacrylat aufgrund seiner vorherigen Verwendung in Zellverkapselung procedures jedoch jede Hydrogels fähig Verkapselung 8 verwendet werden. Die Lieferung der Patch direkt an der Stelle der Verletzung gewährleistet Zell-Gewebekontakt über einen längeren Zeitraum, was die Länge der Zeit, die Zellen begünstigende Faktoren an der darunterliegenden Myokard bereitzustellen. Ein Hindernis für den Patch-Ansatz ist die Schwierigkeit des Anklebens des Pflasters auf der Herzoberfläche. Viele Gruppen haben dies durch eine Vielzahl von Techniken, die am häufigsten als eine einfache Naht, um das Konstrukt zur Herzoberfläche 9,10 binden überwinden. Dies wurde in einer Reihe von Fällen, in denen das Konstrukt aus einem steiferen Material hergestellt als erfolgreich erwiesen, aber nicht, wenn sie auf einem Hydrogel-System versucht, aufgrund der hohen Wasserkonzentration und empfindliche Natur der Patch-Konstrukt. Um dies zu überwinden, haben wir ein Fibrinkleber äußere Klebersystem, das die Chemie der Gerinnselbildung verwendet nachahmt. Fibrinkleber wurde in zahlreichen Arztpraxen eingesetzt, including dura Tränen Bronchusfisteln und Hornhauttransplantation, Hervorhebung der Biokompatibilität des Produkts als ein Wunddichtungsmittel 11-13. Zusätzlich hat Fibrin für eine Vielzahl von kardialen Zwecke, einschließlich der chirurgischen Behandlung der linksventrikulären Brüche und koronaren Bypass-Operationen, wird jedoch seine Verwendung als Haftklebstoff für einen Herz Patch nicht gebräuchlich 14-17 verwendet. Eine einfache Formulierung von Thrombin und Fibrinogen Ergebnisse in einem biokompatiblen Klebstoff, der direkt auf der Außenseite einer äußeren Herz Pflaster platziert werden kann, wodurch eine lebensfähige Haftsystem Patch Herz Interaktion gewährleisten.

<table><tbody><tr><td>Harvard Model 687 Mouse Ventilator</td><td>Harvard Apparatus</td><td>55-0001</td><td></td></tr><tr><td>Inintech Biosciences LLC Dry Glass Bead Sterilizer</td><td>Fisher Scientific</td><td>NC9531961</td><td></td></tr><tr><td>Leica MZ6 surgical microscope</td><td>Leica</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Cautery Kit</td><td>Gemini</td><td>GEM 5917</td><td></td></tr><tr><td>Delicate Forceps - 0.4 mm Tips Angled</td><td>Fine Science Tools</td><td>11063-07</td><td></td></tr><tr><td>Agricola Retractor - 3.5 cm Spread</td><td>Fine Science Tools</td><td>17005-04</td><td></td></tr><tr><td>Spring Scissors - 2.5 mm Blades Straight</td><td>Fine Science Tools</td><td>15000-08</td><td></td></tr><tr><td>Castroviejo Needle Holder - w/Lock Tungsten Carbide 14 cm</td><td>Fine Science Tools</td><td>12565-14</td><td></td></tr><tr><td>Iris Scissors - Delicate Straight 10.5 cm</td><td>Fine Science Tools</td><td>14060-10</td><td></td></tr><tr><td>8-0 monofilament suture</td><td>Ethicon</td><td>8730P</td><td></td></tr><tr><td>6-0 Silk suture</td><td>Ethicon</td><td>639G</td><td></td></tr><tr><td>Thrombin</td><td>Sigma</td><td>T7009</td><td></td></tr><tr><td>Fibrinogen</td><td>Sigma</td><td>F3879</td><td></td></tr><tr><td>Vetbond Tissue Adhesive</td><td>3M</td><td>1469SB</td><td></td></tr></tbody></table>

a hydrogel construct and fibrin-based glue approach to deliver therapeutics in a murine myocardial infarction model.

The murine MI model is widely recognized in the field of cardiovascular disease, and has consistently been used as a first step to test the efficacy of treatments in vivo1. The traditional, established protocol has been further fine-tuned to minimize the damage to the animal. Notably, the pectoral muscle layers are teased away rather than simply cut, and the thoracotomy is approached intercostally as opposed to breaking the ribs in a sternotomy, preserving the integrity of the ribcage. With these changes, the overall stress on the animal is decreased. 
Stem cell therapies aimed to alleviate the damage caused by MIs have shown promise over the years for their pro-angiogenic and anti-apoptotic benefits. Current approaches of delivering cells to the heart surface typically involve the injection of the cells either near the damaged site, within a coronary artery, or into the peripheral blood stream2-4. While the cells have proven to home to the damaged myocardium, functionality is limited by their poor engraftment at the site of injury, resulting in diffusion into the blood stream5. This manuscript highlights a procedure that overcomes this obstacle with the use of a cell-encapsulated hydrogel patch. The patch is fabricated prior to the surgical procedure and is placed on the injured myocardium immediately following the occlusion of the left coronary artery. To adhere the patch in place, biocompatible external fibrin glue is placed directly on top of the patch, allowing for it to dry to both the patch and the heart surface. This approach provides a novel adhesion method for the application of a delicate cell-encapsulating therapeutic construct.

Während des chirurgischen Eingriffs, kann die Ligation der linken Koronararterie durch eine deutliche Blanc stromab der verschlossenen Arterie identifiziert werden. Als Test vor den Bund fürs Leben, kann die Naht kurz angezogen, um zu überprüfen, ob es an der entsprechenden Stelle ist werden. Zusätzlich kann, da Okklusion der Arterie fast sofortige Abnahme der Fähigkeit des linken Atriums, um richtig zu schlagen, das linke Atrium wird in Reaktion auf einen Rückfluss des Blutes in dem System zu vergrößern. M-Mode-Echokardiographie Messungen bereits 2 Tage nach dem Infarkt zeigen eine Einstellung der linken Wand Bewegung, welches die Muskelrekonstruktion. Qualitative Berechnungen aus den Daten gemacht zeigen eine Abnahme der Ejektionsfraktion und Schlagvolumen in den Infarktherzen. Bei Beendigung des Versuchs, als die Herzen werden für die histologische Zwecke gesammelt hat, kann eine klare Dilatation des linken Ventrikels zu sehen ist, zusammen mit einer Verdünnung der linksventrikulärenWand, und die Abscheidung von Kollagen, Narbengewebeablagerung an Ort und Stelle funktionieren Kardiomyozyten (Figur 1) bezeichnet. Auch angeschaut Das histologische Analyse ist dank der Anwesenheit des Hydrogels zu konstruieren, um die Verwaltung des Fibrin-Gel (Abbildung 2). Für unsere Zwecke ist das Klebstoffsystem viskos genug, um präzise Platzierung Kontrolle ermöglichen und anschließende Abfluss minimieren in umliegenden Organe, aber formbar genug, um nicht mit der Herzfunktion stören. Vorversuche wurden durchgeführt, um die Viskosität, Gelierzeit und Steifheit der verschiedenen Fibrinogen / Thrombin-Verhältnis zu berechnen, um die richtige Kombination, die unsere passt zu bestimmen. In vivo-Analyse wurde durchgeführt, um die Fähigkeit der Fibrinkleber patch- aufrechtzuerhalten testen to-Gewebeadhäsion ermöglichen trotzdem eine vollständige Herzfunktion (Daten nicht gezeigt). Es sei darauf hingewiesen, dass der Fibrinkleber nicht schadet dem Myokard, wie die l nachgewiesen werdenack von Gewebeumbau oder ventrikuläre Ausdünnung an der Stelle (Abbildung 2). Die Kardiomyozyten bleiben trotz der Zugabe von sowohl einer Herzklappe und der dazugehörigen Kleber intakt. Zusätzlich bestätigt die Lebensfähigkeit Tests, dass die Verabreichung von Fibrinkleber auf die äußere Oberfläche einer Zelle mit eingekapseltem Hydrogelpflaster hat (Figur 3) nicht berührt Zellüberleben im Pflaster. <img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/52562/52562fig1.jpg" /> Abb. 1: Left Coronary Artery Ligation führt zu einer Abnahme der Herzfunktion, wie durch Echokardiographie gemessen M-Mode-Echokardiographie von gesunden (a) und Infarkt (b) Herzen. Infarktherzen zeigen einen klaren Mangel an Wandbewegung, wo lebensfähige Gewebe durch Narbengewebe ersetzt. Dies korreliert mit einer meßbaren Abnahme der linksventrikulären Auswurffraktion (EF), das HerzschlagVolumen (SV) und das Herzminutenvolumen (CO). Die histologische Analyse von gesunden (C) und mit Infarkt (d) Herzen zeigt Dilatation des linken Ventrikels und Verdünnung der linksventrikulären Wand des infarzierten Myokards beiden Zeichen der Gewebe-Remodellierung und Narbengewebeablagerung. Die histologische Bilder sind Querschnittsscheiben der Erfassung der linken Seite (größere Kammer) und rechts (kleinere Kammer) Ventrikel. <img alt="Figur 2" src="/files/ftp_upload/52562/52562fig2.jpg" /> Fig. 2: Verwendung des Fibrin Flue sichert Flecken Adhesion zum Herzen wird das Pflaster auf der Oberfläche des Herzens angeordnet, während die Brusthöhle während des Verfahrens ausgesetzt ist, (a). Einmal angeordnet ist, wird eine auf Fibrin basierende Klebstoff auf der Oberseite des Herz gegeben und trocknen gelassen. Der Patch kann eindeutig auf histologischen Schnitten von Herzgewebe, die nach 1 Woche nach dem Eingriff (b) gesammelt wurden, zu sehen.Dissoziation der Patch von der Herzoberfläche in histologischen Bilder ist ein Artefakt der Sammlung und Schneideprozess. Ergebnisse sind konsistent mit bis zu 8 Wochen nach der Haftung. <img alt="Figur 3" src="/files/ftp_upload/52562/52562fig3.jpg" /> Abbildung 3: Fibrin-basierte Kleber nicht schadet Encapsulated Gewebe Lebensfähigkeit der Zellen wurde mittels MTT-Analyse von 1 Woche nach der Verabreichung eines Fibrin-basierte Kleber Verwendung im Detail in früheren Publikationen 8 beschriebenen Protokolle gemessen.. Die Lebensfähigkeit von Zellen innerhalb des Pflasters wurde nicht durch die Zugabe des Klebers auf die Oberfläche des Konstrukts betroffen.

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A Hydrogel Construct and Fibrin-based Glue Approach to Deliver Therapeutics in a Murine Myocardial Infarction Model.

This protocol aims to alleviate the limitation of poor cell engraftment for stem cell treatment of myocardial infarctions through the use of a hydrogel system and a fibrin-based glue. With this approach, cell-to-tissue contact post-infarction can be maintained, increasing the therapeutic potential of beneficial agents at the site of injury.

Ein Hydrogel Konstruieren und Fibrin-basierte Kleber Umgangs Therapeutics in einem murinen Myokardinfarkt Modell liefern.

The murine MI model is widely recognized in the field of cardiovascular disease, and has consistently been used as a first step to test the efficacy of ...

a-hydrogel-construct-fibrin-based-glue-approach-to-deliver

Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Medicine

8.6K Aufrufe.  University of Illinois at Urbana-Champaign. This protocol aims to alleviate the limitation of poor cell engraftment for stem cell treatment of myocardial infarctions through the use of a hydrogel system and a fibrin-based glue. With this approach, cell-to-tissue contact post-infarction can be maintained, increasing the therapeutic potential of beneficial agents at the site of injury.

Serie: A Hydrogel Construct and Fibrin-based Glue Approach to Deliver Therapeutics in a Murine Myocardial Infarction Model.

Fabrication of Biologically Derived Injectable Materials for Myocardial Tissue Engineering

This protocol provides methods for the preparation of an injectable extracellular matrix (ECM) gel for myocardial tissue engineering applications. Briefly, decellularized tissue is lyophilized, milled, enzymatically digested, and then brought to physiological pH. The lyophilization removes all water content from the tissue, resulting in dry ECM that can be ground into a fine powder with a small mill. After milling, the ECM powder is digested with pepsin to form an injectable matrix. After adjustment to pH 7.4, the liquid matrix material can be injected into the myocardium. Results of previous characterization assays have shown that matrix gels produced from decellularized pericardial and myocardial tissue retain native ECM components, including diverse proteins, peptides and glycosaminoglycans. Given the use of this material for tissue engineering, in vivo characterization is especially useful; here, a method for performing an intramural injection into the left ventricular (LV) free wall is presented as a means of analyzing the host response to the matrix gel in a small animal model. Access to the chest cavity is gained through the diaphragm and the injection is made slightly above the apex in the LV free wall. The biologically derived scaffold can be visualized by biotin-labeling before injection and then staining tissue sections with a horse radish peroxidase-conjugated neutravidin and visualizing via diaminobenzidine (DAB) staining. Analysis of the injection region can also be done with histological and immunohistochemical staining. In this way, the previously examined pericardial and myocardial matrix gels were shown to form fibrous, porous networks and promote vessel formation within the injection region.

Methods for preparing an injectable matrix gel from decellularized tissue and injecting it into rat myocardium in vivo are described.

Herstellung von biologisch abgeleiteten Injizierbare Materialien für Myocardial Tissue Engineering

This protocol provides methods for the preparation of an injectable extracellular matrix (ECM) gel for myocardial tissue engineering applications.  ...

Forschung

Biotechnik

Encapsulation of Cardiomyocytes in a Fibrin Hydrogel for Cardiac Tissue Engineering 

Culturing cells in a three dimensional hydrogel environment is an important technique for developing constructs for tissue engineering as well as studying cellular responses under various culture conditions in vitro. The three dimensional environment more closely mimics what the cells observe in vivo due to the application of mechanical and chemical stimuli in all dimensions 1. Three-dimensional hydrogels can either be made from synthetic polymers such as PEG-DA 2 and PLGA 3 or a number of naturally occurring proteins such as collagen 4, hyaluronic acid 5 or fibrin 6,7. Hydrogels created from fibrin, a naturally occurring blood clotting protein, can polymerize to form a mesh that is part of the body's natural wound healing processes 8. Fibrin is cell-degradable and potentially autologous 9, making it an ideal temporary scaffold for tissue engineering.
Here we describe in detail the isolation of neonatal cardiomyocytes from three day old rat pups and the preparation of the cells for encapsulation in fibrin hydrogel constructs for tissue engineering. Neonatal myocytes are a common cell source used for in vitro studies in cardiac tissue formation and engineering 4. Fibrin gel is created by mixing fibrinogen with the enzyme thrombin. Thrombin cleaves fibrinopeptides FpA and FpB from fibrinogen, revealing binding sites that interact with other monomers 10. These interactions cause the monomers to self-assemble into fibers that form the hydrogel mesh. Because the timing of this enzymatic reaction can be adjusted by altering the ratio of thrombin to fibrinogen, or the ratio of calcium to thrombin, one can injection mold constructs with a number of different geometries 11,12. Further we can generate alignment of the resulting tissue by how we constrain the gel during culture 13.
After culturing the engineered cardiac tissue constructs for two weeks under static conditions, the cardiac cells have begun to remodel the construct and can generate a contraction force under electrical pacing conditions 6. As part of this protocol, we also describe methods for analyzing the tissue engineered myocardium after the culture period including functional analysis of the active force generated by the cardiac muscle construct upon electrical stimulation, as well as methods for determining final cell viability (Live-Dead assay) and immunohistological staining to examine the expression and morphology of typical proteins important for contraction (Myosin Heavy Chain or MHC) and cellular coupling (Connexin 43 or Cx43) between myocytes.

Encapsulation of Cardiomyocytes in a Fibrin Hydrogel for Cardiac Tissue Engineering

We describe the isolation of neonatal cardiomyocytes and the preparation of the cells for encapsulation in fibrin hydrogel constructs for tissue engineering. We describe methods for analyzing the tissue engineered myocardium after the culture period including active force generated upon electrical stimulation and cell viability and immunohistological staining.

Verkapselung von Kardiomyozyten in einer Fibrin-Hydrogel für Cardiac Tissue Engineering

Culturing cells in a three dimensional hydrogel environment is an important technique for developing constructs for tissue engineering as well as studying ...

Cell-based Therapy for Heart Failure in Rat: Double Thoracotomy for Myocardial Infarction and Epicardial Implantation of Cells and Biomatrix

Cardiac cell therapy has gained increasing interest and implantation of biomaterials associated with cells has become a major issue to optimize myocardial cell delivery. Rodent model of myocardial infarction (MI) consisting of Left Anterior Descending Artery (LAD) ligation has commonly been performed via a thoracotomy; a second open-heart surgery via a sternotomy has traditionally been performed for epicardial application of the treatment. Since the description of LAD ligation model, post-surgery mortality rate has dropped from 35-13%, however the second surgery has remained critical. In order to improve post-surgery recovery and reduce pain and infection, minimally invasive surgical procedures are presented.&#160;Two thoracotomies were performed, the initial one for LAD ligation and the second one for treatment epicardial administration. Biografts consisting of cells associated with solid or gel type matrices were applied onto the infarcted area.&#160;LAD ligation resulted in loss of heart function as confirmed by echocardiography performed after 2 and 6 weeks. Goldner trichrome staining performed on heart sections confirmed transmural scar formation. First and second surgeries resulted in less that 10%&#160;post-operative mortality.&#160;

Implantation of a biograft to treat myocardial infarction induced by LAD ligation in a rodent model has conventionally required two open-heart surgeries. In order to reduce mortality and provide optimal conditions for fixation of solid and gelatinous biomatrices associated with cells, minimally invasive procedures have been developed.

Zell-basierte Therapie bei Herzinsuffizienz in Rat: Doppel Thorakotomie für Herzinfarkt und Epikardiale Implantation von Zellen und Biomatrix

Cardiac cell therapy has gained increasing interest and implantation of biomaterials associated with cells has become a major issue to optimize myocardial ...

Processing of Human Cardiac Tissue Toward Extracellular Matrix Self-assembling Hydrogel for In Vitro and In Vivo Applications

Acellular extracellular matrix preparations are useful for studying cell-matrix interactions and facilitate regenerative cell therapy applications. Several commercial extracellular matrix products are available as hydrogels or membranes, but these do not possess tissue-specific biological activity. Because perfusion decellularization is usually not possible with human heart tissue, we developed a 3-step immersion decellularization process. Human myocardial slices procured during surgery are first treated with detergent-free hyperosmolar lysis buffer, followed by incubation with the ionic detergent, sodium dodecyl sulfate, and the process is completed by exploiting the intrinsic DNase activity of fetal bovine serum. This technique results in cell-free sheets of cardiac extracellular matrix with largely preserved fibrous tissue architecture and biopolymer composition, which were shown to provide specific environmental cues to cardiac cell populations and pluripotent stem cells. Cardiac extracellular matrix sheets can then be further processed into a microparticle powder without further chemical modification, or, via short-term pepsin digestion, into a self-assembling cardiac extracellular matrix hydrogel with preserved bioactivity.

Processing of Human Cardiac Tissue Toward Extracellular Matrix Self-assembling Hydrogel for In Vitro and In Vivo Applications

This protocol describes the complete decellularization of human myocardium while preserving its extracellular matrix components. Further processing of the extracellular matrix results in the production of microparticles and a cytoprotective self-assembling hydrogel.

Verarbeitung von menschlichen Herzgewebe in Richtung extrazelluläre Matrix selbst Montage Hydrogel für In Vitro und In Vivo -Anwendungen

Acellular extracellular matrix preparations are useful for studying cell-matrix interactions and facilitate regenerative cell therapy applications. ...

Entwicklungsbiologie

An Injectable and Drug-loaded Supramolecular Hydrogel for Local Catheter Injection into the Pig Heart

Regeneration of lost myocardium is an important goal for future therapies because of the increasing occurrence of chronic ischemic heart failure and the limited access to donor hearts. An example of a treatment to recover the function of the heart consists of the local delivery of drugs and bioactives from a hydrogel. In this paper a method is introduced to formulate and inject a drug-loaded hydrogel non-invasively and side-specific into the pig heart using a long, flexible catheter. The use of 3-D electromechanical mapping and injection via a catheter allows side-specific treatment of the myocardium. To provide a hydrogel compatible with this catheter, a supramolecular hydrogel is used because of the convenient switching from a gel to a solution state using environmental triggers. At basic pH this ureido-pyrimidinone modified poly(ethylene glycol) acts as a Newtonian fluid which can be easily injected, but at physiological pH the solution rapidly switches into a gel. These mild switching conditions allow for the incorporation of bioactive drugs and bioactive species, such as growth factors and exosomes as we present here in both in vitro and in vivo experiments. The in vitro experiments give an on forehand indication of the gel stability and drug release, which allows for tuning of the gel and release properties before the subsequent application in vivo. This combination allows for the optimal tuning of the gel to the used bioactive compounds and species, and the injection system.

Supramolecular hydrogelators based on ureido-pyrimidinones allow full control over the macroscopic gel properties and the sol&#8211;gel switching behavior using pH. Here, we present a protocol for formulating and injecting such a supramolecular hydrogelator via a catheter delivery system for local delivery directly in relevant areas in the pig heart.

Eine injizierbare and Drug belasteten supramolekulares Hydrogel für Lokale Catheter Injection in die Pig Herz

Regeneration of lost myocardium is an important goal for future therapies because of the increasing occurrence of chronic ischemic heart failure and the ...

LAD-Ligation: A Murine Model of Myocardial Infarction

Research models of infarction and myocardial ischemia are essential to investigate the acute and chronic pathobiological and pathophysiological processes in myocardial ischemia and to develop and optimize future treatment.
Two different methods of creating myocardial ischemia are performed in laboratory rodents. The first method is to create cryo infarction, a fast but inaccurate technique, where a cryo-pen is applied on the surface of the heart (1-3). Using this method the scientist can not guarantee that the cryo-scar leads to ischemia, also a vast myocardial injury is created that shows pathophysiological side effects that are not related to myocardial infarction. The second method is the permanent ligation of the left anterior descending artery (LAD). Here the LAD is ligated with one single stitch, forming an ischemia that can be seen almost immediately. By closing the LAD, no further blood flow is permitted in that area, while the surrounding myocardial tissue is nearly not affected. This surgical procedure imitates the pathobiological and pathophysiological aspects occurring in infarction-related myocardial ischemia.
The method introduced in this video demonstrates the surgical procedure of a mouse infarction model by ligating the LAD. This model is convenient for pathobiological and pathophysiological as well as immunobiological studies on cardiac infarction. The shown technique provides high accuracy and correlates well with histological sections.

This video demonstrates how to use a fast and reliable model to study pathobiological and pathophysiological processes of myocardial ischemia.

LAD-Ligation: einem Mausmodell der Myokardinfarkt

Research models of infarction and myocardial ischemia are essential to investigate the acute and chronic pathobiological and pathophysiological processes ...

Biologie

Implantation of Fibrin Gel on Mouse Lung to Study Lung-specific Angiogenesis

Recent significant advances in stem cell research and bioengineering techniques have made great progress in utilizing biomaterials to regenerate and repair damage in simple tissues in the orthopedic and periodontal fields. However, attempts to regenerate the structures and functions of more complex three-dimensional (3D) organs such as lungs have not been very successful because the biological processes of organ regeneration have not been well explored. It is becoming clear that angiogenesis, the formation of new blood vessels, plays key roles in organ regeneration. Newly formed vasculatures not only deliver oxygen, nutrients and various cell components that are required for organ regeneration but also provide instructive signals to the regenerating local tissues. Therefore, to successfully regenerate lungs in an adult, it is necessary to recapitulate the lung-specific microenvironments in which angiogenesis drives regeneration of local lung tissues. Although conventional in vivo angiogenesis assays, such as subcutaneous implantation of extracellular matrix (ECM)-rich hydrogels (e.g., fibrin or collagen gels or Matrigel - ECM protein mixture secreted by Engelbreth-Holm-Swarm mouse sarcoma cells), are extensively utilized to explore the general mechanisms of angiogenesis, lung-specific angiogenesis has not been well characterized because methods for orthotopic implantation of biomaterials in the lung have not been well established. The goal of this protocol is to introduce a unique method to implant fibrin gel on the lung surface of living adult mouse, allowing for the successful recapitulation of host lung-derived angiogenesis inside the gel. This approach enables researchers to explore the mechanisms by which the lung-specific microenvironment controls angiogenesis and alveolar regeneration in both normal and pathological conditions. Since implanted biomaterials release and supply physical and chemical signals to adjacent lung tissues, implantation of these biomaterials on diseased lung can potentially normalize the adjacent diseased tissues, enabling researchers to develop new therapeutic approaches for various types of lung diseases.

Recapitulation of the organ-specific microenvironment, which stimulates local angiogenesis, is indispensable for successful regeneration of damaged tissues. This report demonstrates a novel method to implant fibrin gels on the lung surface of living mouse in order to explore how the lung-specific microenvironment modulates angiogenesis and alveolar regeneration in adult mouse.

Die Implantation von Fibrin Gel auf Maus Lung Lung spezifischen Angiogenese Studieren

Recent significant advances in stem cell research and bioengineering techniques have made great progress in utilizing biomaterials to regenerate and ...

Medizin

3D Whole-heart Myocardial Tissue Analysis

Cardiac regenerative therapies aim to protect and repair the injured heart in patients with ischemic heart disease. By injecting stem cells or other biologicals that enhance angio- or vasculogenesis into the infarct border zone (IBZ), tissue perfusion is improved, and the myocardium can be protected from further damage. For maximum therapeutic effect, it is hypothesized that the regenerative substance is best delivered to the IBZ. This requires accurate injections and has led to the development of new injection techniques. To validate these new techniques, we have designed a validation protocol based on myocardial tissue analysis. This protocol includes whole-heart myocardial tissue processing that enables detailed two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) analysis of the cardiac anatomy and intramyocardial injections. In a pig, myocardial infarction was created by a 90-min occlusion of the left anterior descending coronary artery. Four weeks later, a mixture of a hydrogel with superparamagnetic iron oxide particles (SPIOs) and fluorescent beads was injected in the IBZ using a minimally-invasive endocardial approach. 1 h after the injection procedure, the pig was euthanized, and the heart was excised and embedded in agarose (agar). After the solidification of the agar, magnetic resonance imaging (MRI), slicing of the heart, and fluorescence imaging were performed. After image post-processing, 3D analysis was performed to assess the IBZ targeting accuracy. This protocol provides a structured and reproducible method for the assessment of the targeting accuracy of intramyocardial injections into the IBZ. The protocol can be easily used when the processing of scar tissue and/or validation of the injection accuracy of the whole heart is desired.

This protocol describes a novel method for the 3D comparison of whole-heart myocardial tissue with MRI. This is designed for the accurate assessment of intramyocardial injections in the infarct border zone of a chronic porcine model of myocardial infarction.

3D Whole-Herz Myocardial Gewebeanalyse

Cardiac regenerative therapies aim to protect and repair the injured heart in patients with ischemic heart disease. By injecting stem cells or other ...

Transplantation of a 3D Bioprinted Patch in a Murine Model of Myocardial Infarction

Testing regenerative properties of 3D bioprinted cardiac patches in vivo using murine models of heart failure via permanent left anterior descending (LAD) ligation is a challenging procedure and has a high mortality rate due to its nature. We developed a method to consistently transplant bioprinted patches of cells and hydrogels onto the epicardium of an infarcted mouse heart to test their regenerative properties in a robust and feasible way. First, a deeply anesthetized mouse is carefully intubated and ventilated. Following left lateral thoracotomy (surgical opening of the chest), the exposed LAD is permanently ligated and the bioprinted patch transplanted onto the epicardium. The mouse quickly recovers from the procedure after chest closure. The advantages of this robust and quick approach include a predicted 28-day mortality rate of up to 30% (lower than the 44% reported by other studies using a similar model of permanent LAD ligation in mice). Moreover, the approach described in this protocol is versatile and could be adapted to test bioprinted patches using different cell types or hydrogels where high numbers of animals are needed to optimally power studies. Overall, we present this as an advantageous approach which may change preclinical testing in future studies for the field of cardiac regeneration and tissue engineering.

This protocol aims to transplant a 3D bioprinted patch onto the epicardium of infarcted mice modeling heart failure. It includes details regarding anesthesia, the surgical chest opening, permanent ligation of the left anterior descending (LAD) coronary artery and application of a bioprinted patch onto the infarcted area of the heart.

Transplantation eines biobedruckten 3D-Patches in einem Murine-Modell des Myokardinfarkts

Testing regenerative properties of 3D bioprinted cardiac patches in vivo using murine models of heart failure via permanent left anterior descending (LAD) ...

3D Human Myocardial Tissue Generation Using Melt Electrospinning Writing of Polycaprolactone Scaffolds and hiPSC-Derived Cardiac Cells

The development of functional human cardiac tissues holds significant promise for advancing applications in drug screening, disease modeling, and regenerative medicine. This protocol describes the stepwise fabrication of 3D myocardial tissues with advanced mimicry of native cardiac structure by combining melt electrospinning writing (MEW) polycaprolactone (PCL) scaffolds with fibrin hydrogels and human induced pluripotent stem cell (hiPSC)-derived cardiac cells. The process involves embedding a mixture of cardiomyocytes (hiPSC-CMs) and cardiac fibroblasts (hiPSC-CFs) within a fibrin matrix to create mini-tissues, with structural support provided by MEW-generated scaffolds. These fibrillar scaffolds are fabricated at the micro- to nanoscale, allowing for precise control over fiber architecture, which plays a key role in organizing cell distribution and alignment. Meanwhile, the fibrin matrix promotes cell viability and mimics the extracellular environment. Characterization of the generated tissues reveals well-organized sarcomeres within hiPSC-CMs, along with stable contractile activity. The tissues demonstrate consistent spontaneous beating as early as two days post-seeding, with sustained functionality over time. The combination of hiPSC-CFs with hiPSC-CMs enhances the structural integrity of the tissues while supporting long-term cell viability. This approach offers a reproducible, adaptable, and scalable method for creating biomimetic cardiac tissue models, providing a versatile platform for preclinical drug testing, mechanistic studies of cardiac disease, and potential regenerative therapies.

A reproducible method is presented to generate 3D myocardial tissues combining melt electrospinning writing (MEW) polycaprolactone (PCL) scaffolds and fibrin hydrogels with hiPSC-derived cardiomyocytes and fibroblasts. This technique offers precise control over scaffold architecture and can be applied in preclinical drug testing and cardiac disease modeling.