An experimental study for the ideal esophageal reconstruction with two different types of tissue-engineered scaffolds in a rat model

Abstract

Introduction: Esophagus reconstruction, which is sometimes required to treat certain diseases of the esophagus, is associated with several morbidity and mortality. However, tissue engineering method offers promising alternative strategies. In this study, we evaluate the outcomes of esophageal reconstructions on rat model for partial esophageal defects using scaffolds made from two different types, respectively and to analyze the characteristics of each scaffolds. Methods: Partial esophageal defects (1.5 × 2 mm, about one thirds of circumference) was induced in rat models. The animals were divided into four groups depending on the scaffolds implanted in them: 3-dimensional printing (3DP) polycaprolactone (PCL) scaffolds, human adipose derived mesenchymal stem cells (hMSCs)-seeded 3DP scaffolds, electrospun nanofiber (EN) polyurethane (PU) scaffolds and hMSCs-seeded EN scaffolds. One- and four-weeks post-operation, the implanted sites were examined, and physical condition, body weight, and blood parameters were evaluated radiologically and histologically.

Results: The surface morphology of the scaffolds was analyzed via scanning electron microscopy (SEM). The surface of the EN PU scaffold showed random fiber structure and 3DP PCL scaffolds were stacked from multiple layers with PCL strands. The number of cells attached on to EN PU scaffold was higher than that on 3DP PCL scaffold. The outcome of implantation in vivo was successful, the defects of all groups were repaired by the graft without fistulas. Regeneration of submucous lamina propria was observed under the implanted scaffold in all four groups after implantation. Muscle regeneration might be more in the 3DP+hMSCs groups than in the EN+hMSCs groups. The thickness of the regenerated epithelium was significantly larger in naked EN- and hMSCs-seeded EN groups than that in the two 3DP groups. Neovascularization was significantly promoted in the two-inoculated groups than in the naked scaffold group, but the expression of macrophages was higher in the naked scaffold groups (EN and 3DP) than in the hMSCs-treated groups.

Conclusion: Both EN PU scaffold and 3DP PCL scaffold showed successful regeneration. The tendency of more re-epithelization was found in EN PU scaffold and more muscle regeneration was found in 3DP PCL scaffold.

서론: 식도암, 식도 기형 등의 질환에 대한 치료 중 식도 결손이 일어날 수 있으며, 식도 결손에 대한 재건의 기존 방법들은 여러 합병증에 의하여 심하면 사망에 이르는 결과를 가져올 수 있다. 이에 조직 공학을 이용한 대안이 최근 각광받고 있다. 본 연구에서는 조직 공학을 이용하여 제작된 두 유형의 스캐폴드를 쥐 모델에 이식해 이들의 특성과 이식 결과에 대해 평가하였다.

재료 및 방법: 쥐 모델에 식도의 부분 결손을 재현한 후, 폴리카프로락톤으로 구성된 3D 프린팅 스캐폴드와 인간 지방 유래 중간엽 줄기세포로 처리한 폴리카프로락톤 3D 프린팅 스캐폴드, 폴리우레탄으로 구성된 전기 방사 나노섬유 스캐폴드와 인간 지방 유래 중간엽 줄기 세포로 처리한 전기 방사 나노섬유 스캐폴드를 각각 이식한 4개의 그룹으로 나누었다. 수술 후 1주 후와 4주 후에 각 그룹의 신체 상태, 체중, 혈액 검사 그리고 이식된 부위에 대하여 영상학적 검사와 조직 검사를 시행하여 평가하였다.

결과: 전기 방사 나노섬유 스캐폴드의 표면은 무작위 섬유 구조를 보여준 반면 3D 프린팅 스캐폴드는 여러 층을 이루는 구조를 구성하였다. 스캐폴드에 부착된 세포의 수는 전기 방사 나노섬유의 그룹이 3D 프린팅 그룹보다 많았다. 또한 생체 내 이식 결과, 모든 그룹의 결손은 누공 없이 재건되었으며, 점막하 고유층의 재생이 이식 후 4 개 그룹 모두에서 관찰되었다. 식도 근육은 인간 지방 유래 중간엽 줄기세포로 처리한 폴리카프로락톤 3D 프린팅 스캐폴드에서 전기 방사 나노섬유 스캐폴드에 비해 많이 관찰되었고, 재생된 상피의 두께는 3D 프린팅 그룹보다 전기 방사 나노섬유 그룹에서 유의하게 두꺼웠다. 신생혈관 형성은 인간 지방 유래 중간엽 줄기세포로 처리된 그룹들에서 현저하게 촉진되었고, 대식세포의 발현은 인간 지방 유래 중간엽 줄기세포로 처리된 그룹들에서 유의하게 적게 관찰되었다.

결론: 두 유형의 조직공학을 이용한 스캐폴드에서 모두 성공적인 이식 결과가 나타났다. 폴리 우레탄 전기 방사 나노섬유 스캐폴드에서 상피 재생이 많은 경향이 관찰되었고, 폴리카프로락톤 3D 프린팅 스캐폴드에서 식도 근육 재생이 많은 경향이 발견되었다.