Tissue engineering has emerged as a promising approach to viable small-diameter vascular grafts that may be used to treat cardiovascular diseases. One challenge in constructing such blood vessels is proper localization of endothelial cells and smooth muscle cells, as well as promotion of their cellular functions to generate functional tissues. Thus far, construction of small-diameter vascular substitutes with both endothelial and muscular tissues, which is essential for the grafts to acquire antithrombosis function and sufficient strength to avoid thrombus formation as well as to withstand blood pressure, has not yet been demonstrated. In this study, we engineer small-diameter blood vessel grafts containing both functional endothelial and muscular cell layers, which has been demonstrated in vivo in a living rat model. Our construction of the blood vessel grafts uses vascular-tissue-derived extracellular matrix bioinks and a reservoir-assisted triple-coaxial cell printing technique. The prematured vessel was implanted for three weeks as a graft of rat abdominal aorta in a proof-of-concept study where all implants showed great patency, intact endothelium, remodeled smooth muscle, and integration with host tissues at the end of the study. These outcomes suggest that our approach to tissue-engineered biomimetic blood vessels provides a promising route for the construction of durable small-diameter vascular grafts that may be used in future treatments of cardiovascular diseases.
References
1.
D.
Mozaffarian
, E. J.
Benjamin
, A. S.
Go
, D. K.
Arnett
, M. J.
Blaha
, M.
Cushman
, S. R.
Das
, S.
de Ferranti
, J. P.
Després
, and H. J.
Fullerton
, Circulation
133
(4
), e38
(2016
).2.
J. D.
Lee
, M.
Srivastava
, and J.
Bonatti
, Circ. J.
76
(9
), 2058
(2012
).3.
W. M.
Abbott
, A.
Callow
, W.
Moore
, R.
Rutherford
, F.
Veith
, and S.
Weinberg
, J. Vasc. Surg.
17
(4
), 746
(1993
).4.
R. S.
Bennion
, R. A.
Williams
, B. E.
Stabile
, M. A.
Fox
, M. L.
Owens
, and S. E.
Wilson
, Surg. Gynecol. Obstet.
160
(3
), 239
(1985
).5.
B. C.
Isenberg
, C.
Williams
, and R. T.
Tranquillo
, Circ. Res.
98
(1
), 25
(2006
).6.
C.
Quint
, Y.
Kondo
, R. J.
Manson
, J. H.
Lawson
, A.
Dardik
, and L. E.
Niklason
, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
108
(22
), 9214
(2011
).7.
L.
Dall'Olmo
, I.
Zanusso
, R.
Di Liddo
, T.
Chioato
, T.
Bertalot
, E.
Guidi
, and M. T.
Conconi
, Biomed. Res. Int.
2014
, 685426
.8.
A.
Hasan
, A.
Memic
, N.
Annabi
, M.
Hossain
, A.
Paul
, M. R.
Dokmeci
, F.
Dehghani
, and A.
Khademhosseini
, Acta. Biomater.
10
(1
), 11
(2014
).9.
N.
L'Heureux
, N.
Dusserre
, G.
Konig
, B.
Victor
, P.
Keire
, T. N.
Wight
, N. A.
Chronos
, A. E.
Kyles
, C. R.
Gregory
, G.
Hoyt
, R. C.
Robbins
, and T. N.
McAllister
, Nat. Med.
12
(3
), 361
(2006
).10.
Z. H.
Syedain
, M. L.
Graham
, T. B.
Dunn
, T.
O'Brien
, S. L.
Johnson
, R. J.
Schumacher
, and R. T.
Tranquillo
, Sci. Trans. Med.
9
(414
), eaan4209
(2017
).11.
C. B.
Weinberg
and E.
Bell
, Science
231
(4736
), 397
(1986
).12.
D. G.
Seifu
, A.
Purnama
, K.
Mequanint
, and D.
Mantovani
, Nat. Rev. Cardiol.
10
(7
), 410
(2013
).13.
G. A.
Villalona
, B.
Udelsman
, D. R.
Duncan
, E.
McGillicuddy
, R. F.
Sawh-Martinez
, N.
Hibino
, C.
Painter
, T.
Mirensky
, B.
Erickson
, and T.
Shinoka
, Tissue Eng., Part B
16
(3
), 341
(2010
).14.
B. C.
Isenberg
, C.
Williams
, and R. T.
Tranquillo
, Ann. Biomed. Eng.
34
(6
), 971
(2006
).15.
J.
Jang
, J. Y.
Park
, G.
Gao
, and D.-W.
Cho
, Biomaterials
156
, 88
(2018
).16.
Q.
Gao
, Y.
He
, J.-Z.
Fu
, A.
Liu
, and L.
Ma
, Biomaterials
61
, 203
(2015
).17.
Y.
Zhang
, Y.
Yu
, A.
Akkouch
, A.
Dababneh
, F.
Dolati
, and I. T.
Ozbolat
, Biomater. Sci.
3
(1
), 134
(2015
).18.
W.
Jia
, P. S.
Gungor-Ozkerim
, Y. S.
Zhang
, K.
Yue
, K.
Zhu
, W.
Liu
, Q.
Pi
, B.
Byambaa
, M. R.
Dokmeci
, and S. R.
Shin
, Biomaterials
106
, 58
(2016
).19.
L.
Ouyang
, C. B.
Highley
, W.
Sun
, and J. A.
Burdick
, Adv. Mater.
29
(8
), 1604983
(2017
).20.
W.
Liu
, Z.
Zhong
, N.
Hu
, Y.
Zhou
, L.
Maggio
, A. K.
Miri
, A.
Fragasso
, X.
Jin
, A.
Khademhosseini
, and Y. S.
Zhang
, Biofabrication
10
(2
), 024102
(2018
).21.
Z. H.
Syedain
, L. A.
Meier
, J. W.
Bjork
, A.
Lee
, and R. T.
Tranquillo
, Biomaterials
32
(3
), 714
(2011
).22.
M. J. W.
Koens
, K. A.
Faraj
, R. G.
Wismans
, J. A.
Van der Vliet
, A. G.
Krasznai
, V. M. J. I.
Cuijpers
, J. A.
Jansen
, W. F.
Daamen
, and T. H.
Van Kuppevelt
, Acta. Biomater.
6
(12
), 4666
(2010
).23.
D.
Seliktar
, R. A.
Black
, R. P.
Vito
, and R. M.
Nerem
, Ann. Biomed. Eng.
28
(4
), 351
(2000
).24.
M.
Lovett
, C.
Cannizzaro
, L.
Daheron
, B.
Messmer
, G.
Vunjak-Novakovic
, and D. L.
Kaplan
, Biomaterials
28
(35
), 5271
(2007
).25.
G.
Gao
, B. S.
Kim
, J.
Jang
, and D.-W.
Cho
, ACS Biomater. Sci. Eng.
5
(3
), 1150
(2019
).26.
G.
Gao
, J. H.
Lee
, J.
Jang
, D. H.
Lee
, J.-S.
Kong
, B. S.
Kim
, Y.-J.
Choi
, W. B.
Jang
, Y. J.
Hong
, and S.-M.
Kwon
, Adv. Funct. Mater.
27
(33
), 1700798
(2017
).27.
E. M.
Rzucidlo
, K. A.
Martin
, and R. J.
Powell
, J. Vasc. Surg.
45
(6
), A25
(2007
).28.
S. S. M.
Rensen
, P. A. F. M.
Doevendans
, and G. J. J. M.
Van Eys
, Neth. Heart J.
15
(3
), 100
(2007
).29.
A.
Karimi
, M.
Navidbakhsh
, A.
Shojaei
, and S.
Faghihi
, Mater. Sci. Eng.: C
33
(5
), 2550
(2013
).30.
T.
Jin
, L.
Li
, R. C. M.
Siow
, and K.-K.
Liu
, J. R. Soc. Interface
12
(106
), 20141365
(2015
).31.
L. A.
Oosterhoff
, H. S.
Kruitwagen
, M. E.
van Wolferen
, B. W. M.
Van Balkom
, M.
Mokry
, N.
Lansu
, N. A. M.
van den Dungen
, L. C.
Penning
, T. C. F.
Spanjersberg
, and J. W.
de Graaf
, Front. Physiol.
10
, 101
(2019
).32.
H.
Tseng
, J. A.
Gage
, W. L.
Haisler
, S. K.
Neeley
, T.
Shen
, C.
Hebel
, H. G.
Barthlow
, M.
Wagoner
, and G. R.
Souza
, Sci. Rep.
6
, 30640
(2016
).33.
U.
Malmqvist
and A.
Arner
, J. Physiol.
519
(1
), 213
(1999
).34.
P. H.
Ratz
, K. M.
Berg
, N. H.
Urban
, and A. S.
Miner
, Am. J. Physiol.-Cell Physiol.
288
(4
), C769
(2005
).35.
D.
Vestweber
, Arterioscler., Thromb., Vasc. Biol.
28
(2
), 223
(2008
).36.
M. G.
Lampugnani
, E.
Dejana
, and C.
Giampietro
, Cold Spring Harbor Perspect. Biol.
10
(10
), a029322
(2018
).37.
S.
Kim
, H.
Lee
, M.
Chung
, and N. L.
Jeon
, Lab Chip
13
(8
), 1489
(2013
).38.
V. S.
LeBleu
, B.
MacDonald
, and R.
Kalluri
, Exp. Biol. Med.
232
(9
), 1121
(2007
).39.
S.
Meghezi
, D. G.
Seifu
, N.
Bono
, L.
Unsworth
, K.
Mequanint
, and D.
Mantovani
, J. Visualized Exp.
100
, e52812
(2015
).40.
L. J.
Appel
, M. W.
Brands
, S. R.
Daniels
, N.
Karanja
, P. J.
Elmer
, and F. M.
Sacks
, Hypertension
47
(2
), 296
(2006
).41.
A. V.
Alexandrov
, D. S.
Brodie
, A.
McLean
, P.
Hamilton
, J.
Murphy
, and P. N.
Burns
, Stroke
28
(2
), 339
(1997
).42.
J.-C.
Li
, L.
Wang
, Y.-X.
Jiang
, Q.
Dai
, S.
Cai
, K.
Lv
, and Z.-H.
Qi
, J. Ultrasound Med.
25
(6
), 735
(2006
).43.
G.
Gao
, J. Y.
Park
, B. S.
Kim
, J.
Jang
, and D.-W.
Cho
, Adv. Healthcare Mater.
7
(23
), 1801102
(2018
).44.
J. E.
Deanfield
, J. P.
Halcox
, and T. J.
Rabelink
, Circulation
115
(10
), 1285
(2007
).45.
B. E.
Sumpio
, J. T.
Riley
, and A.
Dardik
, Int. J. Biochem. Cell Biol.
34
(12
), 1508
(2002
).46.
D. M.
Coenen
, T. G.
Mastenbroek
, and J. M. E. M.
Cosemans
, Blood
130
(26
), 2819
(2017
).47.
L.
Gui
, B. C.
Dash
, J.
Luo
, L.
Qin
, L.
Zhao
, K.
Yamamoto
, T.
Hashimoto
, H.
Wu
, A.
Dardik
, and G.
Tellides
, Biomaterials
102
, 120
(2016
).48.
Q.
Pi
, S.
Maharjan
, X.
Yan
, X.
Liu
, B.
Singh
, A. M.
van Genderen
, F.
Robledo-Padilla
, R.
Parra-Saldivar
, N.
Hu
, and W.
Jia
, J. Adv. Mater.
30
(43
), 1706913
(2018
).49.
R. A.
Clark
, L. D.
Nielsen
, M. P.
Welch
, and J. M.
McPherson
, J. Cell Sci.
108
(3
), 1251
(1995
).50.
M.
Thie
, W.
Schlumberger
, R.
Semich
, J.
Rauterberg
, and H.
Robenek
, Eur. J. Cell Biol.
55
(2
), 295
(1991
).51.
E. P.
Moiseeva
, Cardiovasc. Res.
52
(3
), 372
(2001
).52.
S. L. M.
Dahl
, A. P.
Kypson
, J. H.
Lawson
, J. L.
Blum
, J. T.
Strader
, Y.
Li
, R. J.
Manson
, W. E.
Tente
, L.
DiBernardo
, and M. T.
Hensley
, Sci. Transl. Med.
3
(68
), 68ra9
(2011
).53.
L.
Gui
, M. J.
Boyle
, Y. M.
Kamin
, A. H.
Huang
, B. C.
Starcher
, C. A.
Miller
, M. J.
Vishnevetsky
, and L. E.
Niklason
, Tissue Eng., Part A
20
(9–10
), 1499
(2014
).54.
J. L.
Long
and R. T.
Tranquillo
, Matrix Biol.
22
(4
), 339
(2003
).55.
H. K.
Ets
, C. Y.
Seow
, and R. S.
Moreland
, Front. Pharmacol.
7
, 516
(2016
).© 2019 Author(s).
2019
Author(s)
You do not currently have access to this content.
