Controlled release of VEGF from PLGA nanoparticle loaded PVA nanofibrous membrane for enhanced vascularization in the cardiac tissue

Abstract

Rapid and controlled vascularization of engineered tissues remains one of the key limitations in tissue engineering applications. This study investigates the possible use of natural extracellular matrix-like membrane made poly(vinyl alcohol) (PVA) loaded with vascular endothelial growth factor (VEGF), as a bioresorbable platform for long-term release and consequent angiogenic boosting. To enhance vascularization in heart repair after myocardial infarction (MI), functional multilayered cardiomyocyte sheets and VEGF-releasing PVA membrane integrated for the effective transplantation into MI sites. The PVA membrane bearing poly(Lactic-co-Glycolic acid) (PLGA) nanoparticles that incorporated VEGF were fabricated through a combination of electrospinning and electrospray methods. The controlled released VEGF would have effects on proliferation of seeded cells and the new blood vessel formation. The implanted VEGF-loaded PVA membrane with cardiomyocyte sheets significantly increased the formation of noevessel and myocardial tissue at the MI sites. The effects of membrane on the cardiac regeneration were examined 2 weeks after implantation using azan staining and immunohistochemistry-paraffin (IHC-P). The results indicated that the VEGF-releasing membranes with cardiomyocyte sheets enhanced angiogenesis without necrosis. The approach is useful strategy to stimulate and induce angiogenesis for the clinical repair of various organs, including the impaired myocardium in tissue engineering. The novel strategy could be suitable approach to improve the clinical outcome of implanted tissue engineered membrane using protein delivery to target sites in regenerative medicine.;최근 발병률 및 사망률이 높은 난치성 질환인 심근경색을 치료하기 위한 재생의학의 연구 및 임상 적용이 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 여러 세포층이 겹겹으로 쌓여 있는 형태인 세포시트 (cell sheet) 위에 세포의 생장에 필요한 물질을 전달하기 위하여, 혈관생성 (Vasculogenisis)과 혈관신생 (Angiogenesis)을 증진시키는 신호 단백질인 혈관표피성장인자 (VEGF)를 조절 방출하는 Poly(vinyl alcohol) (PVA)로 이루어진 매트를 제작하였다. 세포시트에 적용가능한 PVA 매트는 세포배양액에 담궈서 일정시간동안 배양을 함유하면서도 형태유지가 필요하기 때문에 수화가 잘 되어야 할 뿐만 아니라, 세포시트와 접촉 시 세포의 생장 및 분화에 영향을 주지않는 낮은 세포독성이 필수적으로 요구된다. 또한, 생리활성 물질을 전달가능한 지지기반을 이루어야 하기 때문에 이를 모두 충족시키는 생친화성 소재인 PVA 기반 매트를 제작하였으며, 세포시트 적용시간 등을 고려하여 고분자 내부 구조를 변화시켜 세포시트 적용 시 분해되지 않고 지지기반이 가능하도록 매트의 물성을 다양한 조건들을 이용하여 조절하였다. 초기에는 빠른 시간동안 약물이 용출되도록 단백질 약물을 매트 표면에 electrospay방법으로 나노입자화하여 탑재하였고, 이를 세포시트에 적용하여 2주동안 약물이 용출되도록 설계하였다. 세포시트 내에서 1일 이내에 발생하는 심근세포 괴사를 막기 위하여 24시간동안 빠른 방출이 이루어지도록 설계하여 실험 결과 66.3%의 약물의 용출이 이루어졌으며, VEGF의 활성을 유지하면서 2주간 약효가 지속 가능하도록 서방출 되었다. VEGF를 탑재한 PVA 매트를 6겹으로 이루어진 세포시트와 함께 동물실험에서 심장근육조직에 적용 시 근육 내부에 신생혈관 네트워크가 형성되었으며, 심장근육조직의 두께는 대조군에 비하여 평균적으로 약 2배 정도 형성되었을 뿐 아니라 고르게 두꺼운 심근조직이 재생되었음을 확인하였다. 삼차원 구조를 지닌 매트는 생체 내에서의 세포 전달력 및 생존율을 높이며, 생체 활성 물질을 함유한 매트는 혈관 형성 유도 기능성을 더하여 심근 조직 재생을 향상시킴을 확인하였다. 적용된 생리 활성 물질 전달 시스템은 다양한 조직에서의 세포치료 및 조직 재생 의학적 응용이 가능할 것으로 기대된다.