Cardiovascular implants play a significant role in the treatment of cardiovascular disease. However, increases the risk of thromboembolic complications and infection. The development of hemocompatible interfaces by generating an autologous endothelial monolayer at the luminal surface of cardiovascular implants may be a promising strategy. Intraluminal surface modification of cardiovascular implants aims to engineer physical properties of biomaterials, such as surface topography and improve endothelial cell performance towards long-term endothelialization. Indeed, many previous studies underlined the hypothesis that anisotropic topographies with gratings enhance the biomechanical properties of endothelial cells from healthy donors. However, typical recipients of cardiovascular implants are in advanced age and often present with chronic cardiovascular disease linked to premature endothelial cell senescence, a phenomenon associated with impaired endothelial cell function. Thus, endothelial cell senescence poses a significant obstacle to successful implant endothelialization. To study the impact of senescence on the biomechanical properties of endothelial cells as well as the impact of anisotropic topographies with gratings on senescence, we expanded in vitro fully characterized human umbilical vein endothelial cells until cell cycle arrest occurred. The biomechanical properties of senescent endothelial cells were then characterized under static and flow conditions after short- or long-term cultivation on flat or gridded surfaces. Senescent HUVECs revealed high levels of γ-H2AX nuclear foci, increased SA-β-gal activity and significantly decreased relative telomere length as evidence of replicative senescence. Senescent endothelial cells were enlarged considerably, revealed irregular inhomogeneous cell outlines, and lost their ability to form high-confluent monolayers. Moreover, senescent endothelial cells showed impaired monolayer connectivity and lost the ability to form well-organized elongated and aligned actin stress fibers in response to laminar flow. Short-term expansion of senescent endothelial cells on the gratings showed significant enhancement of cell-substrate, cell-cell adhesion as well as topographical-oriented cell elongation due to actin filaments remodeling. More interestingly, long-term expansion on the gratings enhanced the replicative capacity of endothelial cells without concomitant early onset of senescence. Our data suggest that micro-structured surfaces with anisotropic topographies may enhance the biomechanical properties of senescent endothelial cells, slow down the phenomenon of senescence and improve long-term endothelialization of cardiovascular implants
Kardiovaskuläre Implantate spielen eine entscheidende Rolle bei der Behandlung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Sie gehen jedoch mit einem erhöhten Thrombose- und Embolierisiko einher. Eine vielversprechende Strategie zur Verbesserung der Hämokompatibilität ist die Endothelialisierung der intraluminalen Implantatoberfläche. Die intraluminale Oberflächenmodifikation zielt darauf ab, die physikalischen Eigenschaften von Biomaterialien (z.B. Oberflächentopographie) zu verändern, um die Leistung der Endothelzellen im Hinblick auf eine langfristige Endothelialisierung zu verbessern. Zahlreiche Studien unterstützten die Hypothese, dass anisotrope Topografien mit Gitterstrukturen die biomechanischen Eigenschaften von Endothelzellen gesunder Spender verbessern. Typische Empfänger von kardiovaskulären Implantaten sind jedoch oft älter und leiden häufig an chronischen kardiovaskuläre Erkrankungen, die mit einer vorzeitigen Endothelzellseneszenz assoziiert sind, ein Phänomen, das mit einer beeinträchtigten Endothelzellfunktion einhergeht. Daher stellt die Endothelzellseneszenz ein wesentliches Hindernis für die erfolgreiche Endothelialisierung kardiovaskulärer Implantate dar. Das Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss der Seneszenz auf die biomechanischen Eigenschaften von Endothellzellen sowie die Auswirkungen anisotroper Gitterstrukturen auf die Seneszenz zu analysieren. Dazu wurden humane Nabelvenenendothelzellen in vitro umfassend charakterisiert und bis es zum Zellzyklusstillstand kultiviert. Anschließend wurden die biomechanischen Eigenschaften der seneszenten Endothelzellen sowohl unter statischen als auch unter dynamischen Bedingungen auf ebenen oder gitterartigen Oberflächen untersucht. Seneszente Endothelzellen zeigten eine erhöhte Anzahl von γ-H2AX-Foci pro Zellkern, erhöhte senescence-assoziierte beta-galactosidase Aktivität und signifikant verkürzte Telomerlängen. Morphologisch waren die seneszenten Endothelzellen deutlich vergrößert, wiesen unregelmäßige und inhomogene Zellkonturen auf und verloren ihre Fähigkeit, hochkonfluente Einzelzellschichten zu bilden. Außerdem zeigten sie eine gestörte Konnektivität und verloren die Fähigkeit, unter laminarer Strömung elongierte und ausgerichtete Aktin-Stressfasern zu bilden. Die kurzfristige Expansion seneszenter Endothelzellen auf den gitterartigen Oberflächen führte zu einer signifikanten Verbesserung der Zell-Substrat- und Zell-Zell-Adhäsion sowie der topographisch orientierten Zelldehnung, was auf eine Reorganisation der Aktinfilamente zurückzuführen ist. Besonders bemerkenswert ist, dass die langfristige Expansion auf den Gitterstrukturen die Replikationsfähigkeit der Endothelzellen verbesserte, ohne dass gleichzeitiges eine vorzeitige Seneszenz eintrat. Zusammenfassend, anisotrope Topografien können die biomechanischen Eigenschaften seneszenter Endothelzellen verbessern, die Seneszenz verlangsamen und die langfristige Endothelialisierung kardiovaskulärer Implantate verbessern.
