Urothelial Mesh - A New Technique of Cell Culture on Biomaterials

Abstract

Introduction

Urogenital malformations, trauma or tumours may demand surgical reconstruction in children. Cell culture is an important technology in biomaterial research and tissue engineering. Tissue-engineering of urothelial organs is of interest in children, because the number of complications and re-operations may be reduced. Actually, monolayer cultures of urothelium are used for tissue engineering and biocompatibility testing. A culture system that more closely mimics the physiologic environment of the urothelium would be of interest. The aim of this study was to determine the biological and mechanical characteristics of urothelial mesh cultured in vitro.

Methods

Meshes containing urothelium, lamina propria, and submucosal tissue were generated using a skin mesh graft cutter. Meshes were cultured in 6-well plates, on collagen I/III, polydioxanone/polylactic acid and silicone matrices. Cell morphology was examined by inversion microscopy, histology, and scanning electron microscopy. It was compared to urothelium cultured by methods reported in the literature. To define the basic mechanical properties, meshes were extended longitudinally by a servohydraulic testing machine and strain diagrams generated.

Results

Urothelium was reproducibly cultured from meshes. Cell growth could be induced onto fibrillary collagen, polydioxanone-polylactic acid matrices and shaped polyurethane surfaces. Cells formed confluent layers of flat cells, resembling native urothelium. The meshes have unique mechanical properties, allowing for stable fixation, surgical handling and mechanical stimulation.

Conclusions

Meshes can be used for cell culture on biomaterials. They maintain epithelial-stromal integrity and mechanic stability. The small size of tissue bridges allows in vitro culture for long periods with many potential advantages for tissue engineering and biologic research. Applications are possible both in vitro and in vivo.

Résumé

Introduction

Une reconstruction chirurgicale est parfois nécessaire pour les malformations urogénitales d'origine traumatique ou tumorale chez les patients pédiatriques. La culture cellulaire est une technologie importante de la recherche en biomatériaux et du génie tissulaire. Le génie tissulaire d'organes urothéliaux est particulièrement importante chez les enfants car elle permet de réduire le nombre de complications et de réinterventions. La culture d'urothélium en monocouches est actuellement utilisée pour le génie tissulaire et pour les tests de biocompatibilité. Il serait utile d'avoir un système de culture très proche de l'environnement physiologique de l'urothélium. L'objectif de cette étude était de préciser les caractéristiques biologiques et mécaniques de l'urothelium culture in vitro.

Méthodes

Les prélèvements de préparés avec un coupe-greffe comportaient de l'urothélium, de la lamina propria et du tissu sous-muqueux. Les réseaux étaient mis en culture dans les plaques à 6 puits sur une matrice de collagène I/III, de polydioxanone/polylactide et de silicone. La morphologie cellulaire était déterminée sur coupes histologiques et examinée sous microscopie d'inversion et électronique à balayage en comparaison avec de l'urothélium mis en culture selon des méthodes conventionnelles. Afin de définir les propriétés mécaniques de base, les réseaux ont été soumis à une traction longitudinale sur une machine servohydraulique pour tracer des courbes de traction.

Résultats

La culture est reproductible. Il est possible d'induire la croissance cellulaire sur la matrice de collagène et de polydioxanone-polylactide et sur les surfaces modelées de polyuréthane. La confluence cellulaire forme une couche de cellules plates semblables à l'urothélium naturel. Les caractéristiques mécaniques uniques des réseaux facilitent la manipulation chirurgicale, la stimulation mécanique et la stabilité de la fixation.

Conclusion

Les réseaux permettent la culture cellulaire sur biomatériaux. Ils maintiennent l'intégrité épithéliale et stromale et la stabilité mécanique. La petite taille des ponts tissulaires permettent une culture in vitro sur de longues périodes, un avantage important pour le génie tissulaire et la recherche biologique.

Resumen

Introducción

Las malformaciones urogenitales, traumatismos o tumores en niños pueden requerir reconstrucción quirúrgica. Los cultivos celulares son técnicas importantes en la investigación de biomateriales y de ingeniería tisular. La ingeniería tisular de los órganos uroteliales es interesante en niños ya que puede reducir el número de complicaciones y reoperaciones. Actualmente se usan cultivos monocapa de urotelio para ingeniería tisular y pruebas de biocompatibilidad. Sería interesante disponer de un sistema de cultivo más parecido al entorno fisiológico del urotelio. El objetivo de este estudio ha sido determinar las características biológicas y mecánicas de mallas uroteliales cultivadas in vitro.

Método

Se generaron mallas conteniendo urotelio, lámina propia y tejido submucoso usando un mallador cutáneo. Las mallas se cultivaron en placas de seis pocillos sobre colágeno I/III, polidioxanona/poliláctido y matrices de silicona. La morfología celular se examinó por microscopía de inversión, histología, y microscopía electrónica de barrido. Se comparó el uretelio cultivado con los métodos publicados en la literatura. Para definir las propiedades mecánicas básicas las mallas se traccionaron longitudinalmente con un aparato servohidraúlico y se generaron gráficos tensionales.

Resultados

Se pudo cultivar de forma reproductible el urotelio en las mallas. El crecimiento celular pudo inducirse sobre colágeno fibrilar, matrices de polidioxanona - poliláctido y superficies de poliuretano moldeado. Las células formaron capas confluyentes de células planas que parecían urotelio activo. Las mallas tenían propiedades mecánicas únicas que permitían fijación estable, manejo quirúrgico y estimulación mecánica.

Conclusiones

Se pueden utilizar mallas para cultivo celular sobre biomateriales. Estas mantienen la integridad epitelio - estromal y la estabilidad mecánica. El pequeño tamaño de los puentes tisulares permite el cultivo in vitro durante largos periodos de tiempo demostrando muchas ventajas potenciales en la ingeniería tisular y en la investigación biológica. Se pueden encontrar aplicaciones in vivo e in vitro.

Zusammenfassung

Fehlbildungen, Tumoren oder Unfälle können bei Kindern ausgedehnte urogenitale Rekonstruktionseingriffe erforderlich machen. Der Einsatz von Biomaterialien in den Harnwegen ist durch Biofilmbildung und chronische Infektionen kompliziert. Gewebeersatz durch Tissue-Engineering oder verbesserte Biomaterialien können potenziell die Biofilmbildung verhindern und die Komplikations- und Reoperationsrate senken.

Zellkulturen sind zentraler Bestandteil der Biomaterialforschung und des Tissue-Engineering. Bislang werden dafür Monolayer-Kulturen genutzt. Kultursysteme, die den physiologischen Bedingungen stärker ähneln, könnnten zur Entwicklung eines verbesserten Gewebeersatzes beitragen. Ziel dieser Studie ist es, biologische und mechanische Eigenschaften von in vitro kultivierten urothelialen Netzen zu untersuchen.

Hierzu wurden Netze bestehend aus Urothel, Lamina propria und submukösen Anteilen mithilfe eines Netzschneidegerätes hergestellt. Die Netze wurden auf Kollagen I/III, Polydioxanon/Polylactid und Silikon kultiviert. Beurteilt wurde die Zellmorphologie unter dem Inversionsmikroskop, dem Elektronenmikroskop und anhand histologischer Schnitte im Vergleich zu parallel kultivierten Urothelzellen nach bekannten Methoden aus der Literatur. Zusätzlich wurden mithilfe eines servohydraulischen Testgerätes, das Zugkraft auf Materialien ausübt, mechanische Eigenschaften untersucht und in einem Diagramm dargestellt.

Ergebnisse

Aus urothelialen Meshes können Urothelkulturen gezüchtet und auf Biomaterialien angesiedelt werden. Flache Zellschichten ähnlich dem natürlichen Urothel besiedelten sowohl flach geformte Materialien aus Kollagen und Polydioxanon/Polylactid als auch tubuläre Formen aus Silikon. Die Netze haben definierte mechanische Eigenschaften, die stabile Fixierung, chirurgisches Arbeiten und mechanische Beanspruchung erlauben.

Schlussfolgerung

Präparierte Urothelnetze können für die Zellkultur auf Biomaterialien genutzt werden. Der Verband von Urothel, Matrix und Stromazellen und die mechanische Stabilität werden beibehalten. Die schmalen Gewebebrücken begründen die gute Kultivierbarkeit. Meshes könnten sowohl in vitro als auch in vivo zur Induktion urothelialer Gewebe verwendet werden.

Urothelium - mesh graft - tissue engineering - mesh culture

Urothelium - réseau d'urothelium - génie tissulaire - culture de tissu

Urotelio - mallas - ingeniería tisular - cultivo en mallas

Urothel - Urothelnetz - Tissue-Engineering - Gewebekultur

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