Development and non-invasive monitoring of tissue-engineered cardiovascular implants

Mohapatra, Saurav Ranjan; Apel, Christian; Kiessling, Fabian

doi:10.18154/RWTH-2025-04854

Development and non-invasive monitoring of tissue-engineered cardiovascular implants

Mohapatra, Saurav Ranjan^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Saurav Ranjan Mohapatra, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025, Kumulative Dissertation

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak10

Hauptberichter/Gutachter
Apel, Christian (Thesis advisor)^RWTH* ; Kiessling, Fabian (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-05-08

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-04854
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/1012085/files/1012085.pdf

Einrichtungen

Institut und Lehrstuhl für Angewandte Medizintechnik (811001-1 ; 923510)

Projekte

DFG project G:(GEPRIS)403039938 - TexValveMonitoring - Multimodale longitudinale Bildgebung von biohybriden Herzklappen (403039938) (403039938)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Herzklappen (frei) ; MRI (frei) ; MRT (frei) ; cardiovascular implants (frei) ; heart valves (frei) ; kardiovaskulären Implantate (frei) ; tissue engineering (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 610

Kurzfassung
Kardiovaskuläre Erkrankungen gehören weltweit zu den häufigsten Todesursachen und erfordern Fortschritte bei den Behandlungsmöglichkeiten. Synthetische Gefäßtransplantate und mechanische Herzklappen haben Einschränkungen wie eine hohe Thromboseneigung und die Notwendigkeit wiederholter Operationen. Tissue-engineerte Gefäßtransplantate (TEVGs) und Herzklappen (TEHVs) bieten vielversprechende Alternativen aufgrund ihrer Umbaukapazitäten und ihres Potenzials zur Integration in das Wirtsgewebe. Die Gewährleistung der mechanischen Festigkeit, die schnelle Reifung der extrazellulären Matrix (ECM) und die Echtzeitüberwachung stellen jedoch nach wie vor eine Herausforderung dar. Darüber hinaus sind ein effektives Management des Lebenszyklus von Implantaten und eine langfristige Nachsorge entscheidend für den klinischen Erfolg. Unsere Forschung zielt darauf ab, die Entwicklung von TEVGs und TEHVs durch fortschrittliche Bioreaktorkonditionierung und 7T-MRT-Überwachung zu beschleunigen und sie der klinischen Anwendung näher zu bringen. Die erste Studie hatte zum Ziel, die Produktion von TEVGs zu verbessern, indem die normalerweise mehrere Wochen dauernde Konditionierungszeit des Bioreaktors deutlich verkürzt wurde. Als Zellträger wurde ein biologisch abbaubares Polymilchsäure-Co-Glykolsäure (PLGA)-Gerüst in Kombination mit einem copolymerverstärkten Fibrin-Gel verwendet. Durch die Kombination von Textilien, biologisch abbaubaren Fasern und Hydrogelmatrix konnte die Konditionierungszeit auf nur 4 Tage verkürzt werden, während gleichzeitig eine erhebliche Reifung der extrazellulären Matrix (ECM) und mechanische Festigkeit erreicht wurde. Mechanische Tests ergaben, dass der Berstdruck (617±85 mm Hg) und die Zugfestigkeit des TEVG die von nativen Arterien übertrafen. Darüber hinaus ermöglichte der Einbau von MRT-Kontrastmitteln in das Gerüst eine nicht-invasive In-vitro-Überwachung des Gerüstabbaus mittels 7T-MRT, was wertvolle Einblicke in den Remodellierungsprozess ermöglichte. Die zweite Studie konzentrierte sich auf die Entwicklung eines pneumatisch angetriebenen multimodalen Bioreaktors, der für die MRT- und Ultraschallbildgebung für tissue-engineerte Herzklappen (TEHVs) optimiert wurde. Ein speziell angefertigter Bioreaktor, der für den dynamischen Betrieb innerhalb einer 72-mm-Bohrung einer 7T-MRT-Spule ausgelegt ist, ermöglichte die Echtzeit-Überwachung der TEHV-Funktionalität, ohne MRT-Interferenzen zu verursachen. TEHVs wurden aus einem Gerüst aus Polyethylenterephthalat (PET) und menschlichen Arterienzellen hergestellt, die unter physiologischen Bedingungen konditioniert wurden. Das Bioreaktorsystem erleichterte die Produktion von ECM-Komponenten, einschließlich Kollagen und Aktin der glatten Muskulatur, und gewährleistete gleichzeitig eine Besiedlung mit Endothelzellen. MRI-Bewegungskompensationstechniken und Ultraschallbildgebung erfassten erfolgreich die dynamische Bewegung der Herzklappen, was die Kompatibilität dieses neuartigen Systems für die Längsschnittüberwachung weiter unter Beweis stellte. Zusammenfassend lassen diese beiden Studien das Potenzial von tissue-engineerten kardiovaskulären Implantaten für den künftigen klinischen Einsatz erkennen. Durch die drastische Verkürzung der Konditionierungszeit von TEVGs und die Möglichkeit der dynamischen Echtzeit-Bildgebung von TEHVs sind wir der Entwicklung von Implantaten nähergekommen, die nicht nur funktional und haltbar sind, sondern auch während ihrer Entwicklung und nach der Implantation nicht-invasiv überwacht werden müssen. Diese Fortschritte sind ein bedeutender Schritt auf dem Weg zur Entwicklung kardiovaskulärer Implantate, die effizient in die klinische Praxis umgesetzt werden können, um die Ergebnisse für die Patienten zu verbessern und den Bedarf an wiederholten Eingriffen zu verringern.

Cardiovascular diseases (CVD) are among the leading causes of death globally, requiring advancements in treatment options. Synthetic vascular grafts and mechanical heart valves have limitations such as thrombosis and the need for repeated surgeries. Tissue-engineered vascular grafts (TEVGs) and heart valves (TEHVs) offer promising alternatives due to their remodeling capabilities and potential to integrate with host tissues. However, challenges remain in ensuring mechanical strength, rapid extracellular matrix (ECM) maturation, and real-time monitoring. Additionally, effective implant life cycle management and long-term follow-up are critical for clinical success. Our research aims to accelerate the development of TEVGs and TEHVs through advanced bioreactor conditioning and 7T MRI monitoring, bringing them closer to clinical application.The first study aimed to enhance the production of TEVGs by significantly shortening the bioreactor conditioning time, which normally takes several weeks. A biodegradable polylactic-co-glycolic acid (PLGA) scaffold, combined with a copolymer-reinforced fibrin gel, was used as a cell carrier. By utilizing the combination of textile, biodegradable fiber, and hydrogel matrix, the conditioning time was reduced to just 4 days, while achieving substantial extracellular matrix (ECM) maturation and mechanical strength. Mechanical testing showed the TEVG’s burst pressure (617±85 mm Hg) and tensile strength exceeded that of native arteries. Additionally, the incorporation of MRI contrast agents into the scaffold allowed for non-invasive in vitro monitoring of scaffold degradation using 7T MRI, providing valuable insights into the remodeling process. The second study focused on the development of a pneumatically driven multimodal bioreactor optimized for MRI and ultrasound imaging for tissue-engineered heart valves (TEHVs). A custom-built bioreactor, designed to operate dynamically within a 72 mm bore of a 7T MRI coil, enabled the real-time monitoring of TEHV functionality without causing MRI interference. TEHVs were constructed using a polyethylene terephthalate (PET) scaffold and human arterial cells, conditioned under physiological conditions. The bioreactor system facilitated the production of ECM components, including collagen and smooth muscle actin, while ensuring a monolayer of endothelial cells. MRI motion compensation techniques and ultrasound imaging successfully captured the dynamic movement of the heart valves, further proving the compatibility of this novel system for longitudinal monitoring.In conclusion, these two studies underscore the potential of tissue-engineered cardiovascular implants for future clinical use. By drastically reducing the conditioning time of TEVGs and enabling dynamic real-time imaging of TEHVs, we have moved closer to developing implants that are not only functional and durable but also capable of being non-invasively monitored during their development and post-implantation phases. These advancements represent a significant step toward creating cardiovascular implants that can be efficiently translated to clinical practice, improving patient outcomes and reducing the need for repeated interventions.

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