A human tissue‐engineered vascular media: a new model for pharmacological studies of contractile responses

Abstract

Our method for producing tissue-engineered blood vessels based exclusively on the use of human cells, i.e., without artificial scaffolding, has previously been described (1). In this report, a tissue-engineered vascular media (TEVM) was specifically produced for pharmacological studies from cultured human vascular smooth muscle cells (VSMC). The VSMC displayed a differentiated phenotype as demonstrated by the re-expression of VSMC-specific markers and actual tissue contraction in response to physiological stimuli. Because of their physiological shape and mechanical strength, rings of human TEVM could be mounted on force transducers in organ baths to perform standard pharmacological experiments. Concentration-response curves to vasoconstrictor agonists (histamine, bradykinin, ATP, and UTP) were established, with or without selective antagonists, allowing pharmacological characterization of receptors (H1, B2, and P2Y1, and pyrimidinoceptors). Sustained agonist-induced contractions were associated with transient increases in cytosolic Ca2+ concentration, suggesting sensitization of the contractile machinery to Ca2+. ATP caused both Ca2+ entry and Ca2+ release from a ryanodine- and caffeine-sensitive store. Increased cyclic AMP or cyclic GMP levels caused relaxation. This human TEVM displays many of functional characters of the normal vessel from which the cells were originally isolated, including contractile/relaxation responses, cyclic nucleotide sensitivity, and Ca2+ handling mechanisms comparable to those of the normal vessel from which the cells were originally isolated. These results demonstrate the potential of this human model as a versatile new tool for pharmacological research.

Tissue engineering of a collagen-based vascular media

“…A response was recorded for seven of the nine drugs used; no response was measured for SNP or BHT-920. The number of drugs tested in this study is surpassed only by the study of cell sheet TEVMs by L'Heureux et al 6 The list of agents studied is significant, but not all-encompassing. Even if a response was found to all of the agents, it would not have proven that the cells were fully functional.…”

“…Cell sheet tissue-engineered vascular medias (TEVM) have been extensively tested through use of a comprehensive panel of agents, 6 as well as investigations of the endothelin system. 7 Despite issues with cell culture, vasoactivity has been seen in TEVM that used adult smooth muscle cells [8][9][10] as well as TEVM using umbilical cord derived, 6,7,11,12 bone marrow progenitor, 13 and neonatal cells. 14,15 One reason why few groups have demonstrated function is that obtaining the number of cells necessary to make a TEVM requires extensive passaging of cells.…”

Vaisseaux humains reconstitués par génie tissulaire

“…D'autres composantes de la matrice extracellulaire sont également présentes, dont l'élastine dans l'adventice. Un des grands avantages de la reconstitution par auto-assemblage est d'obtenir, en l'absence de tout matériau synthétique, une résistance à l'éclatement suffisante pour permettre la greffe du vaisseau [8] et même le montage en bain d'organe pour étudier sa contraction [10]. D'autres vaisseaux obtenus à partir de cellules animales ont égale-ment pu être montés de la même façon, mais leur résistance méca-nique à l'étirement était renforcée par un matériau synthétique [6,7] ou hétérologue [11].…”

“…Il semble que la contraction y soit déclenchée par le Ca 2+ et que son maintien fasse appel à un ou plusieurs mécanismes de sensibilisation tels qu'ils ont été décrits dans les vaisseaux natifs. Dans la média humaine reconstituée [10] comme dans les vaisseaux natifs, les mécanismes qui sous-tendent l'élévation de la concentration en Ca 2+ comportent un influx de Ca 2+ à travers la membrane plasmique et une libération de Ca 2+ à partir de réserves intracellulaires. À la différence cependant de ce qui est généralement observé dans les vaisseaux natifs, l'influx de Ca 2+ dans la média reconstituée est insensible aux dihydropyridines, suggérant que les cellules musculaires lisses n'y possèdent pas de canaux calciques de type L, ou que ceux-ci ne sont pas fonctionnels.…”

“…L'expression de récepteurs est l'un des caractères phénotypiques différant suivant le lit vasculaire. La caractérisation pharmacologique, à l'aide d'agonistes et d'antagonistes appropriés, des récep-teurs de la média humaine reconstituée à partir de cellules musculaires lisses de veine ombilicale [10] a permis de montrer que ce vaisseau possède des récep-teurs fonctionnels identiques à ceux des cellules musculaires lisses de la veine d'origine (par exemple les récepteurs B 2 à la bradykinine et les récepteurs H 1 à l'histamine), mais aussi des récepteurs dont le sous-type est différent (récep-teurs vasoconstricteurs à l'ATP appartenant à la famille P 2y dans la média reconstituée, alors qu'ils sont de type P 2x dans la veine native [16]) (Figure 3). Ainsi, la caractérisation pharmacologique des récepteurs et l'étude des voies de signalisation sous-jacentes conduisent toutes deux à la même conclusion: les cellules musculaires lisses de la média reconstituée par auto-assemblage possèdent de nombreux caractères phénoty-piques propres au phénotype contractile des cellules musculaires lisses et particu- liers au vaisseau d'origine, mais aussi des caractères différents.…”