Tissue engineering technology promises to solve the organ transplantation crisis. However, assembly of vascularized 3D soft organs remains a big challenge. Organ printing, which we define as computer-aided, jet-based 3D tissue-engineering of living human organs, offers a possible solution. Organ printing involves three sequential steps: pre-processing or development of ‘blueprints’ for organs; processing or actual organ printing; and postprocessing or organ conditioning and accelerated organ maturation. A cell printer that can print gels, single cells and cell aggregates has been developed. Layer-by-layer sequentially placed and solidified thin layers of a thermo-reversible gel could serve as ‘printing paper’. Combination of an engineering approach with the developmental biology concept of embryonic tissue fluidity enables the creation of a new rapid prototyping 3D organ printing technology, which will dramatically accelerate and optimize tissue and organ assembly.

Abstract Periostin is predominantly expressed in collagen‐rich fibrous connective tissues that are subjected to constant mechanical stresses including: heart valves, tendons, perichondrium, cornea, and the periodontal ligament (PDL). Based on these data we hypothesize that periostin can regulate collagen I fibrillogenesis and thereby affect the biomechanical properties of connective tissues. Immunoprecipitation and immunogold transmission electron microscopy experiments demonstrate that periostin is capable of directly interacting with collagen I. To analyze the potential role of periostin in collagen I fibrillogenesis, gene targeted mice were generated. Transmission electron microscopy and morphometric analyses demonstrated reduced collagen fibril diameters in skin dermis of periostin knockout mice, an indication of aberrant collagen I fibrillogenesis. In addition, differential scanning calorimetry (DSC) demonstrated a lower collagen denaturing temperature in periostin knockout mice, reflecting a reduced level of collagen cross‐linking. Functional biomechanical properties of periostin null skin specimens and atrioventricular (AV) valve explant experiments provided direct evidence of the role that periostin plays in regulating the viscoelastic properties of connective tissues. Collectively, these data demonstrate for the first time that periostin can regulate collagen I fibrillogenesis and thereby serves as an important mediator of the biomechanical properties of fibrous connective tissues. J. Cell. Biochem. 101: 695–711, 2007. © 2007 Wiley‐Liss, Inc.

As classically described, the precardiac mesoderm of the paired heart-forming fields migrate and fuse anteriomedially in the ventral midline to form the first segment of the straight heart tube. This segment ultimately forms the right trabeculated ventricle. Additional segments are added to the caudal end of the first in a sequential fashion from the posteriolateral heart-forming field mesoderm. In this study we report that the final major heart segment, which forms the cardiac outflow tract, does not follow this pattern of embryonic development. The cardiac outlet, consisting of the conus and truncus, does not derive from the paired heart-forming fields, but originates separately from a previously unrecognized source of mesoderm located anterior to the initial primitive heart tube segment. Fate-mapping results show that cells labeled in the mesoderm surrounding the aortic sac and anterior to the primitive right ventricle are incorporated into both the conus and the truncus. Conversely, if cells are labeled in the existing right ventricle no incorporation into the cardiac outlet is observed. Tissue explants microdissected from this anterior mesoderm region are capable of forming beating cardiac muscle in vitro when cocultured with explants of the primitive right ventricle. These findings establish the presence of another heart-forming field. This anterior heart-forming field (AHF) consists of mesoderm surrounding the aortic sac immediately anterior to the existing heart tube. This new concept of the heart outlet's embryonic origin provides a new basis for explaining a variety of gene-expression patterns and cardiac defects described in both transgenic animals and human congenital heart disease.

Recent advances in three-dimensional (3-D) printing offer an excellent opportunity to address critical challenges faced by current tissue engineering approaches. Alginate hydrogels have been used extensively as bioinks for 3-D bioprinting. However, most previous research has focused on native alginates with limited degradation. The application of oxidized alginates with controlled degradation in bioprinting has not been explored. Here, a collection of 30 different alginate hydrogels with varied oxidation percentages and concentrations was prepared to develop a bioink platform that can be applied to a multitude of tissue engineering applications. The authors systematically investigated the effects of two key material properties (i.e. viscosity and density) of alginate solutions on their printabilities to identify a suitable range of material properties of alginates to be applied to bioprinting. Further, four alginate solutions with varied biodegradability were printed with human adipose-derived stem cells (hADSCs) into lattice-structured, cell-laden hydrogels with high accuracy. Notably, these alginate-based bioinks were shown to be capable of modulating proliferation and spreading of hADSCs without affecting the structure integrity of the lattice structures (except the highly degradable one) after 8 days in culture. This research lays a foundation for the development of alginate-based bioink for tissue-specific tissue engineering applications.

Abstract Development of chick and rat endocardial cushions (cardiac mesenchyme) was studied histologically (using Nomarski differential interference optics on living and unfixed tissue), ultrastructurally (scanning and transmission electron microscopy), cytochemically (using acidified dialyzed iron as a visual probe for polyanionic material) and autoradiographically (using 35 S) to elucidate the origin of the mesenchyme, the morphologic sequences leading to cushion formation and secretion of sulfated glycosaminoglycans, if any, by migrating mesenchymal cells. Cushion formation was similar for both species. Mesenchymal cells appeared initially, in 16‐ to 18‐somite embryos, beneath the endothelium (which lacked a basal lamina) of the future atrioventricular canal and outflow tract. The cytoplasm of cushion mesenchymal cells was structurally similar to the endothelium; probably these cells arose by proliferation of the endothelium. Mitotic figures among the “seeded” cells were also numerous. Cushion cells were initially attached to the endothelium by desmosomes but acquired motile apparatus (pseudopodia and filopodia containing microtubules and microfilamentous bundles). Serial sectioning of successively‐aged embryos (20–44 somites) indicated a centrifugal migratory direction. Interaction of the cell processes with extracellular matrix suggested that the latter was used as a migratory substrate. Contact of the advancing wedge of cushion cells with the myocardium produced no alteration in cell structure or mitotic activity. Localization of hyaluronidase‐sensitive, dialyzed iron (DI) precipitates in 250‐nm Golgi vacuoles and hyaluronidase‐sensitive 35 S‐engendered silver grains over cushion cells indicated that this tissue contributed sulfated macromolecules to the matrix. Localization of hyaluronidase‐labile, DI material in coated, endocytic like vesicles and caveolae also suggested potential modification or conditioning of the matrix by migrating mesenchymal cells. Altogether the study established loci in developing cushions where disruption of the developmental sequence could engender valvular or septal defects.

Mutations in sarcomere protein genes can cause hypertrophic cardiomyopathy (HCM), a disorder characterized by myocyte enlargement, fibrosis, and impaired ventricular relaxation. Here, we demonstrate that sarcomere protein gene mutations activate proliferative and profibrotic signals in non-myocyte cells to produce pathologic remodeling in HCM. Gene expression analyses of non-myocyte cells isolated from HCM mouse hearts showed increased levels of RNAs encoding cell-cycle proteins, Tgf-β, periostin, and other profibrotic proteins. Markedly increased BrdU labeling, Ki67 antigen expression, and periostin immunohistochemistry in the fibrotic regions of HCM hearts confirmed the transcriptional profiling data. Genetic ablation of periostin in HCM mice reduced but did not extinguish non-myocyte proliferation and fibrosis. In contrast, administration of Tgf-β–neutralizing antibodies abrogated non-myocyte proliferation and fibrosis. Chronic administration of the angiotensin II type 1 receptor antagonist losartan to mutation-positive, hypertrophy-negative (prehypertrophic) mice prevented the emergence of hypertrophy, non-myocyte proliferation, and fibrosis. Losartan treatment did not reverse pathologic remodeling of established HCM but did reduce non-myocyte proliferation. These data define non-myocyte activation of Tgf-β signaling as a pivotal mechanism for increased fibrosis in HCM and a potentially important factor contributing to diastolic dysfunction and heart failure. Preemptive pharmacologic inhibition of Tgf-β signals warrants study in human patients with sarcomere gene mutations.

Self-assembly is a fundamental process that drives structural organization in both inanimate and living systems. It is in the course of self-assembly of cells and tissues in early development that the organism and its parts eventually acquire their final shape. Even though developmental patterning through self-assembly is under strict genetic control it is clear that ultimately it is physical mechanisms that bring about the complex structures. Here we show, both experimentally and by using computer simulations, how tissue liquidity can be used to build tissue constructs of prescribed geometry in vitro. Spherical aggregates containing many thousands of cells, which form because of tissue liquidity, were implanted contiguously into biocompatible hydrogels in circular geometry. Depending on the properties of the gel, upon incubation, the aggregates either fused into a toroidal 3D structure or their constituent cells dispersed into the surrounding matrix. The model simulations, which reproduced the experimentally observed shapes, indicate that the control parameter of structure evolution is the aggregate-gel interfacial tension. The model-based analysis also revealed that the observed toroidal structure represents a metastable state of the cellular system, whose lifetime depends on the magnitude of cell-cell and cell-matrix interactions. Thus, these constructs can be made long-lived. We suggest that spherical aggregates composed of organ-specific cells may be used as "bio-ink" in the evolving technology of organ printing.

Summary

 The origins and developmental mechanisms of coronary arteries are incompletely understood. We show here by fate mapping, clonal analysis, and immunohistochemistry that endocardial cells generate the endothelium of coronary arteries. Dye tracking, live imaging, and tissue transplantation also revealed that ventricular endocardial cells are not terminally differentiated; instead, they are angiogenic and form coronary endothelial networks. Myocardial Vegf-a or endocardial Vegfr-2 deletion inhibited coronary angiogenesis and arterial formation by ventricular endocardial cells. In contrast, lineage and knockout studies showed that endocardial cells make a small contribution to the coronary veins, the formation of which is independent of myocardial-to-endocardial Vegf signaling. Thus, contrary to the current view of a common source for the coronary vessels, our findings indicate that the coronary arteries and veins have distinct origins and are formed by different mechanisms. This information may help develop better cell therapies for coronary artery disease.

The capability to print three-dimensional (3D) cellular tubes is not only a logical first step towards successful organ printing but also a critical indicator of the feasibility of the envisioned organ printing technology. A platform-assisted 3D inkjet bioprinting system has been proposed to fabricate 3D complex constructs such as zigzag tubes. Fibroblast (3T3 cell)-based tubes with an overhang structure have been successfully fabricated using the proposed bioprinting system. The post-printing 3T3 cell viability of printed cellular tubes has been found above 82% (or 93% with the control effect considered) even after a 72-h incubation period using the identified printing conditions for good droplet formation, indicating the promising application of the proposed bioprinting system. Particularly, it is proved that the tubular overhang structure can be scaffold-free fabricated using inkjetting, and the maximum achievable height depends on the inclination angle of the overhang structure. As a proof-of-concept study, the resulting fabrication knowledge helps print tissue-engineered blood vessels with complex geometry.

The secreted periostin protein, which marks mesenchymal cells in endocardial cushions following epithelial–mesenchymal transformation and in mature valves following remodeling, is a putative valvulogenesis target molecule. Indeed, periostin is expressed throughout cardiovascular morphogenesis and in all 4 adult mice valves (annulus and leaflets). Additionally, periostin is expressed throughout the fibrous cardiac skeleton and endocardial cushions in the developing heart but is absent from both normal and/or pathological mouse cardiomyocytes. Periostin ( peri lacZ ) knockout mice exhibit viable valve disease, with neonatal lethality in a minority and latent disease with leaflet abnormalities in the viable majority. Surviving peri lacZ -null leaflets are truncated, contain ectopic cardiomyocytes and smooth muscle, misexpress the cartilage proteoglycan aggrecan, demonstrate disorganized matrix stratification, and exhibit reduced transforming growth factor-β signaling. Neonatal peri lacZ nulls that die (14%) display additional defects, including leaflet discontinuities, delamination defects, and deposition of acellular extracellular matrix. Assessment of collagen production, 3D lattice formation ability, and transforming growth factor-β responsiveness indicate periostin-deficient fibroblasts are unable to support normal valvular remodeling and establishment of a mature cardiac skeleton. Furthermore, pediatric stenotic bicuspid aortic valves that have lost normal extracellular matrix trilaminar stratification have greatly reduced periostin. This suggests that loss of periostin results in inappropriate differentiation of mesenchymal cushion cells and valvular abnormalities via a transforming growth factor-β–dependent pathway during establishment of the mature heart. Thus, peri lacZ knockouts provide a new model of viable latent valve disease.