Tissue Regenerator: Engineering tissue templates with integrated quality control
Creators: name: Ritter, Paul
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2023
Subjects: Skeletal Muscle Engineering
Adaptive Tissue Engineering

description: The loss of skeletal muscle volume due to severe injuries or tumor ablation is a significant concern in modern societies. Surgical solutions exist for this condition which rely on the removal and reimplantation of autogenic muscle tissue. However, recovered muscle functionality and aesthetics often remain unsatisfactory. A tissue engineering (TE) procedure known as de- and recellularization may be another potential solution. This bioprocess engineering top-down technique is based on the removal of immunogenic factors to create a cell free matrix template. Subsequently, cells of the patient are injected and conditioned through external stimuli in a bioreactor environment. Several groups reported convincing results for various whole organs regenerated in this way. However, a lack of process optimization as well as standardization have been key challenges that hampered a consequent clinical translation. To address this gap, a novel perfusion bioreactor device called Tissue Regenerator was developed which allows integrated in-line quality monitoring during de- and recellularization. To that end, the organ, or in this case skeletal muscle, was centrally positioned in the bioreactor chamber. The muscle was connected to the tubing periphery of the bioreactor via the existing vascular main feeding artery, allowing a controlled fluid flow into deep tissue segments. A platform rotated around the organ and monitored the process in-line, using photogrammetry, as well as transmission and diffuse reflectance spectroscopy. In addition, linear actuators and force transducers were positioned above the muscle to exert passive stimulation, while an electrical stimulator delivered uni- and bipolar template stimulation. Meanwhile, hydrostatic vascular pressure was monitored by a pressure sensor close to the vascular inlet. Furthermore, a syringe pump was designed to stabilize and control the transport of sensitive biological material, such as cells, into the template during recellularization. One of the most widely used decellularization protocols was chosen to show the capabilities of the Tissue Regenerator. A gastrocnemius medialis muscle was decellularized through the main feeding artery with 0.1% sodium dodecyl sulfate (SDS) in deionized water (ddH2O). Applied biomechanics and biophotonics techniques were evaluated according to their possible use for quality monitoring, process control, or being suitable as end-point quality parameters during decellularization. Especially photogrammetric muscle visualization, as well as diffuse reflectance and transmission spectroscopy, were shown to be highly suitable for in-line quality monitoring. Parameters such as hydrostatic vascular pressure were particularly suitable for process control, whereas maximum force or axial muscle compliance were suitable as end-point quality parameters. Lastly, methods such as multiphoton microscopy were particularly suitable for final quality assessments. Optimization and further expansion of evaluated parameters will allow the definition of new quality markers during de- and recellularization to not be solely dependent on an ambiguous process duration. These parameters, in combination with the novel 'Tissue Regenerator' process technology, offer a first approach to organ standardization and quality optimization.
description: Der Verlust von Skelettmuskulatur aufgrund schwerer Verletzungen oder Tumorablation ist ein großes Problem in der modernen Gesellschaft. Hierfür gibt es chirurgische Lösungen, welche auf der Entfernung und Reimplantation von autogenem Muskelgewebe beruhen. Die wiederhergestellte Muskelfunktionalität und -ästhetik ist jedoch häufig nicht zufriedenstellend. Eine weitere mögliche Lösung könnte das als De- und Rezellularisierung bekannte Verfahren aus dem Bereich des Tissue Engineerings sein. Diese Top-Down-Technik basiert auf der Entfernung immunogener Faktoren, um eine zellfreie Gewebematrix zu erstellen. Anschließend werden Zellen des Patienten injiziert und durch äußere Stimuli in einer Bioreaktorumgebung konditioniert. Verschiedene Gruppen berichteten von überzeugenden Ergebnissen für diverse Organe. Eine fehlende Prozessoptimierung wie auch Standardisierung stellen jedoch eine große Herausforderung dar, welche bisher eine klinische und kommerzielle Translation verhindert. Eine mögliche Lösung bietet das neuartige Perfusionsbioreaktorgerät "Tissue Regenerator", welches eine integrierte In-line-Qualitätsüberwachung während der De- und Rezellularisierung ermöglicht. Hierfür wurde das Organ, in diesem Fall der Skelettmuskel, zentral in der Bioreaktorkammer positioniert. Der Muskel wurde über die bestehenden Gefäßschenkel an die Schlauchperipherie des Bioreaktors angeschlossen, was das kontrollierte Durchströmen von Fluid in tiefe Gewebesegmente ermöglichte. Eine sich um den Muskel rotierende Plattform überwachte derweil den Prozess in-line mit Hilfe von Photogrammetrie sowie Transmissions- und Diffuser Reflexionsspektroskopie. Zusätzlich ermöglichten über den Muskel positionierte lineare Aktuatoren und Kraftaufnehmer eine passive Stimulation des Muskels, während ein elektrischer Stimulator eine uni- und bipolare Gewebestimulation ermöglichte. Der hydrostatische Gefäßdruck wurde währenddessen mit einem Drucksensor nahe des Gefäßeingangs überwacht. Des Weiteren wurde eine Spritzenpumpe für den Rezellularisierungsprozess entwickelt, um den Transport von empfindlichen biologischen Materialien, wie etwa Zellen, während der Rezellularisierung zu stabilisieren und zu kontrollieren. Um die Leistungsfähigkeit des "Tissue Regenerators" zu demonstrieren, wurde das wohl am weitesten verbreitete Dezellularisierungsprotokoll ausgewählt. Hierbei wurde ein M. gastrocnemius medialis durch die Hauptaterie mit 0.1% Natriumdodecylsulfat (SDS) in entionisierten Wasser (ddH2O) dezellularisiert. Biomechanische sowie Biophotonische Techniken wurden hinsichtlich ihrer Verwendung zur Qualitätsüberwachung, Prozesskontrolle oder als Endpunktqualitätsparameter während der Dezellularisierung eingestuft. Insbesondere die photogrammetrische Muskelvisualisierung sowie die Diffuse Reflexions und Transmissionsspektroskopie erwiesen sich als sehr geeignet für eine In-line-Qualitätsüberwachung. Parameter, wie der hydrostatische Gefäßdruck, eigneten sich hingegen besonders für die Prozesskontrolle, während die Maximalkraft oder die Compliance sich besonders als Endpunktqualitätsparameter eigneten. Methoden wie die Multiphotonenmikroskopie erwiesen sich zudem als besonders geeignet für abschließende Qualitätskontrollen. Die Optimierung und Weiterentwicklung der ausgewerteten Parameter wird es zukünftig ermöglichen, neue Qualitätsgrenzen für die De- und Rezellularisierung zu definieren, welche demnach nicht mehr notwendigerweise primär von einer willkürlich gewählten Prozessdauer abhängig sind. Diese Parameter bieten in Kombination mit der neuartigen "Tissue Regenerator" Prozesstechnologie einen ersten Ansatz zu einer Standardisierung und Qualitätsoptimierung von Organen.