Matrix Testing for Urothelial Tissue Engineering

Abstract

Introduction: Surgical reconstruction of the bladder is associated with many well-known complications. Tissue engineering is under discussion as a potential therapeutic strategy and many of the proposed benefits are of special interest for children. Biomaterials play a key role in tissue engineering. Many materials have been proposed for the experimental reconstruction of the bladder and urethra. They determine the biological and mechanical characteristics of the reconstructed tissues. Most publications focus on a single material. In order to identify the most suitable biomaterial it was the aim of this study to compare biological and mechanical features of different biomaterials seeded with urothelial cells in vitro. Materials and Methods: Commercially available biomaterials (Biogide®, Ethisorb®, Lyoplant®, SIS®, Vicryl®, Xenoderm®) of biologic or synthetic origin were seeded with urothelial cells. Cell-matrix constructs were cultured and investigated by scanning electron microscopy for surface structure and cell morphology. They were also subjected to extension until failure and the force required was reported as f_max. Values obtained and curve shape were compared to specimens of bladder mucosa and submucosa. Results: Cell adhesion and morphology showed marked differences between materials. Cell shape varied from single spherical cells to confluent layers of flat urothelium. f_max ranged from 0.02 N to 48.86 N for tested materials and 1.19 N for native bladder mucosa/submucosa. Discussion: The materials showed marked differences in biological and mechanical features in vitro. Cells cultured on biogenic matrices were more similar to native urothelium. Most of the tested materials showed different curve shapes and higher f_max values than native bladder mucosa.

Résumé

Introduction: La reconstruction chirurgicale de la vessie est associée à de nombreuses complications. Le tissu engineering est en discussion comme stratégie thérapeutique et beaucoup des bénéfices escomptés sont d'un intérêt tout particulier pour l'enfant. Les bio-matériaux jouent un rôle-clé dans le tissu engineering. Beaucoup de matériaux ont été proposés pour la reconstruction expérimentale de la vessie et de l'urètre. Ils déterminent les caractéristiques biologiques et mécaniques des tissus reconstruits. Beaucoup des publications sont centrées sur un seul matériel. Dans le but d'identifier le bio-matériel le plus satisfaisant, le but de cette étude était de comparer les caractéristiques biologiques et mécaniques des différents biomatériaux développés avec des cellules urothéliales in-vitro. Matériel et Méthodes: Les biomatériaux commercialisés disponibles (Biogide, Ethisorb, Lyodura, SIS, Vicryl, Yenoderm) d'origine biologique ou synthétique, étaient ensemencés avec des cellules urothéliales. Les matrices cellulaires étaient explorées par microscopie électronique. Elles étaient aussi l'objet d'une traction jusqu'à rupture et la force requise était rapportée comme f max. les valeurs obtenues et la courbé étaient comparés à des spécimens de muqueuse vésicale et de sous-muqueuse. Résultats: L'adhésion cellulaire et la morphologie montraient des différences nettes entre les différents matériaux. Les formes cellulaires variaient de cellules sphériques à des couches confluentes d'urothelium. F max variait de 0,02 N à 48,86 N pour les matériaux testés et 1,19 N pour la muqueuse et la sous-muqueuse vésicale. Discussion: Les matériaux montraient des différences marquées sur le plan biologique et mécanique. Les cellules cultivées sur des matrices biogéniques étaient plus proches de l'urothelium. La plupart des matériaux testés montraient des courbes et un f max plus élevé que la muqueuse vésicale.

Resumen

Introducción: La reconstrucción quirúrgica de la vejiga se asocia con varias complicaciones bien conocidas. La ingeniería tisular es una estrategia terapéutica potencial y muchos de sus posibles beneficios son aplicables a los niños. Los biomateriales juegan un papel clave en la ingeniería tisular. Se han propuesto muchos materiales para la reconstruccion experimental de la vejiga y de la uretra. Su naturaleza determina las características biológicas y biomecánicas de los tejidos reconstruídos. La mayoría de las publicaciones se refieren a un solo material. Para identificar el mejor de ellos comparamos las características biológicas y mecánicas de varios biomateriales en los que se sembraron células uroteliales in vitro. Material y Métodos: Se sembraron células uroteliales en biomateriales comercialmente disponibles de origen biológico o sintético (Biogide, Ethisorb, Lyoplant, SIS, Vicryl, Yenoderm). Los complejos célula-matriz fueron cultivados e investigados por electromicroscopía de barrido para observar la superficie y la morfología celular. También se sometieron a tracción hasta su ruptura y la fuerza necesaria para ello fue con siderada como f_max. Los valores obtenidos y la forma de la curva se compararon con los de muestras de mucosa/submucosa de vejiga. Resultados: La adherencia y la morfología celular fueron muy diferentes entre materiales. La forma de las células varió entre elementos esféricos y capas confluyentes de urotelio plano. La f_max osciló entre 0,02 N y 48,86 N para los materiales probados y de 1,19 N para mucosa/submucosa vesical. Discusión: Los materiales mostraron diferencias biológicas y mecánicas notables in vitro. Las células cultivadas en matrices biogénicas se asemejaron más a urotelio nativo. La mayoría de los materiales probados mostraron formas de curva diferentes y más alto f_max que la mucosa nativa.

Zusammenfassung

Fragestellung: Die chirurgische Rekonstruktion der Blase ist mit vielen Komplikationen behaftet. Das Tissue-Engineering eröffnet neue Behandlungsperspektiven, bei denen Biomaterialien von großer Bedeutung sind. Viele Materialien wurden bereits experimentell zur Gewebeinduktion oder als Transportmatrix für Zellen erprobt. Die Wahl der Materialien beeinflusst wesentlich die biologischen und mechanischen Eigenschaften der aufgebauten Gewebe. Dennoch gibt es nur wenige vergleichende Untersuchungen über Biomaterialien im Harntrakt. Ziel dieser Studie war der Vergleich verschiedener Materialien hinsichtlich ihrer biologischen und mechanischen Eigenschaften. Methoden: Kommerziell erhältliche Biomaterialien (Biogide®, Ethisorb®, Lyoplant®, SIS®, Vicryl®, Xenoderm®) wurden mit Urothelzellen besiedelt. Die Zell-Matrix-Konstrukte wurden elektronenmikroskopisch hinsichtlich der Oberflächenstruktur und der Zellmorphologie untersucht. Zur mechanischen Testung wurden die Materialien in einer Prüfapparatur (Zwick) bis zum Zerreißen gedehnt und die dazu erforderlichen Kräfte (f_max) gemessen. Zum Vergleich diente native Blasenmukosa einschließlich der Lamina propria. Ergebnisse: Abhängig vom verwendeten Biomaterial wurden entweder nur isolierte kugelförmige Zellen oder dem natürlichen Urothel ähnliche konfluierende Zellverbände beobachtet. Bei der mechanischen Testung lagen die f_max-Werte zwischen 0,02 N und 48,86 N. Der f_max-Wert nativer Blasenmukosa lag bei 1,19 N. Diskussion: Die getesteten Materialien wiesen in ihrer Interaktion mit dem Urothel und hinsichtlich der mechanischen Stabilität erhebliche Unterschiede auf. Zellform und Wachstumsmuster erschienen wesentlich vom Biomaterial beeinflusst. Materialien biologischen Ursprungs führen zu einem dem nativen Urothel ähnlicheren Bild als die synthetischen Materialien. Im Vergleich zur nativen Blasenmukosa zeigten alle Materialien eine höhere mechanische Festigkeit. Vermutlich beeinflussen diese in vitro erkennbaren Unterschiede auch nach Implantation in vivo die Gewebeeigenschaften und den Erfolg des Gewebsersatzes.

Key words

Urothelium - urothelial tissue engineering - mechanical matrix testing

Mots-clés

Urothelium - engineering du tissu urothélial - test de la matrice

Palabras clave

Urotelio - ingeniería tisular - puebas mécanicas

Schlüsselwörter

Blasenersatz - Urethraersatz - urotheliales Tissue-Engineering

References

• 1 Atala A. Biomaterials for genitourinary tissue engineering. Walsh PC, Retik AB, Vaughan Jr ED, Wein AJ Campbell's Urology. Philadelphia; Saunders 2002: 2595-2596
• 2 Chen F, Yoo J J, Atala A. Experimental and clinical experience using tissue regeneration for urethral reconstruction.  World J Urol. 2000;  18 67-70
• 3 Cross W R, Thomas D FM, Southgate J. Tissue engineering and stem cell research in urology.  BJU Int. 2003;  92 165-171
• 4 Dahms S E, Piechota H J, Dahiya R, Lue T F, Tanagho E A. Composition and biomechanical properties of the bladder acellular matrix graft: Comparative analysis in rat, pig and human.  Brit J Urol. 1998;  82 411-419
• 5 Ewalt D H, Howar P S, Blyth B, Snyder H M. et al . Is lamina propria matrix responsible for normal bladder compliance?.  J Urol. 1992;  148 544-549
• 6 Hodde J. Naturally occurring scaffolds for soft tissue repair and regeneration.  Tissue engineering. 2002;  8 295-308
• 7 Kim B S, Baez C E, Atala A. Biomaterials for tissue engineering.  World J Urol. 2000;  18 2-9
• 8 Oberpenning F O, Meng J, Yoo J, Atala A. De novo reconstitution of a functional urinary bladder by tissue engineering.  Nature Biotechnol. 1999;  17 2
• 9 Pariente J L, Kim B S, Atala A. In vitro biocompatibility assessment of naturally derived and synthetic biomaterials using normal human urothelial cells.  J Biomed Mater Res. 2001;  55 33-39
• 10 Sievert K D, Tanagho E A. Organ specific acellular matrix for reconstruction of the urinary tract.  World J Urol. 2000;  18 19-25