Entwurf eines zyklischen Druck Bioreaktor für die Ex Vivo Studium der Aorten-Herzklappen
Summary
Eine zyklische Druck Bioreaktor in der Lage zu unterwerfen Herzklappengewebe zu physiologischen und pathologischen Druckverhältnisse ausgelegt ist. Ein LabVIEW-Programm ermöglicht es Benutzern, Druck Größe, Amplitude und Frequenz-Steuerung. Dieses Gerät kann verwendet werden, um die Mechanobiologie der Herzklappe Gewebe oder isolierte Zellen zu studieren.
Abstract
Die Aortenklappe zwischen der linken Herzkammer und der Aorta befindet, ermöglicht die unidirektionale Durchblutung und verhindert Rückfluss in die Herzkammer. Aortenklappensegel sind der interstitiellen Zellen innerhalb einer extrazellulären Matrix (ECM) suspendiert und mit einer endothelialen Monolayer gesäumt zusammen. Das Ventil hält eine harte, dynamischen Umfeld und ist ständig zu scheren, Flexion, Spannung und Kompression ausgesetzt. Die Forschung hat calcific Läsionen in erkrankten gezeigten Ventile kommen in Bereichen mit hoher mechanischer Belastung als Folge der endothelialen Störung oder interstitielle Matrix Schaden 1-3. Daher ist es nicht verwunderlich, dass epidemiologische Studien haben hohen Blutdruck, eine führende Risikofaktor bei der Entstehung von Aortenvitien 4 dargestellt.
Die einzige Behandlungsmöglichkeit, die jetzt bei Herzklappenerkrankungen ist die chirurgische Ersatz des erkrankten Ventil mit einem bioprothetischen oder mechanische Ventil 5. Verbessertes Verständnis des Ventils Biologie in Reaktion auf körperliche Belastungen helfen würde, Aufklärung der Mechanismen der Pathogenese Ventil. Im Gegenzug könnte dies in der Entwicklung von nicht-invasive Therapien wie pharmazeutische Intervention oder Prävention zu helfen. Mehrere Bioreaktoren wurden bereits entwickelt, um die Mechanobiologie von nativen oder Herzklappen 6-9 studieren. Pulsierende Bioreaktoren sind auch entwickelt worden, um einer Reihe von Geweben einschließlich Knorpel 10, 11 und Knochen Blase 12 zu studieren. Das Ziel dieser Arbeit war es, eine zyklische Druck-System, verwendet, um die biologische Reaktion der Aortenklappensegel zu einer erhöhten Druckbelastung klären könnten zu entwickeln.
Das System bestand aus einem Acryl-Kammer, in der Proben Ort und produzieren zyklische Druck, Viton Membrane Magnetventile, um das Timing der Druck Zyklus zu steuern, und einen Computer, um elektrische Geräte zu steuern. Der Druck wurde unter Verwendung eines Druckaufnehmer, und das Signal war bedingt durch eine Kraftmessdose Conditioner. Ein LabVIEW-Programm reguliert den Druck mit einem analogen Gerät mit Druckluft ins System zu pumpen an der entsprechenden Rate. Das System imitiert die dynamische transvalvuläre Druckniveaus mit der Aortenklappe verbunden, eine Sägezahnwelle produziert eine schrittweise Erhöhung des Drucks, die typisch für die transvalvuläre Druckverlauf, der derzeit über dem Ventil ist während der Diastole, durch einen scharfen Druckabfall darstellt Ventilöffnung in gefolgt Systole. Die LabVIEW-Programm erlaubt Benutzern, das Ausmaß und die Häufigkeit der zyklische Druck zu kontrollieren. Das System war in der Lage, um Gewebeproben zu physiologischen und pathologischen Druckverhältnissen unterworfen. Dieses Gerät kann verwendet werden, um unser Verständnis, wie Herzklappen, um Änderungen in der lokalen mechanischen Umfeld zu reagieren erhöhen.
Protocol
Discussion
Der Druck-System erfolgreich Aortenklappensegel zyklische Belastungen, die Vertreter der diastolische Druck transvalvuläre ausgesetzt waren. Allerdings war es nicht möglich, systolische Druck transvalvuläre imitieren, da der Druck nur sank auf 40 mmHg. Transvalvuläre Druck ist der Unterschied zwischen dem Druck in der Aorta ascendens und des linken Ventrikels. Während der Diastole, wenn das Ventil geschlossen ist, wird die Druckdifferenz unter normotensiven Bedingungen und 90 mmHg 80mmHg und 100 mmHg im Stadium I u…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren bedanken sich bei Shad Schipke und Daniel Chesser für ihre Hilfe bei der Konstruktion und Fertigung des Systems und Valtresa Myles für die Unterstützung bei der Erstellung des Manuskripts.
Materials
| Name of the reagent | Company | Catalogue number | Comments (optional) |
|---|---|---|---|
| DMEM | Sigma | D5671 | |
| Dulbecco’s PBS | Sigma | D5652 | |
| Anti-mycotic/antibiotic solution | Sigma | A5955 | |
| Fetal Bovine Serum | ThermoScientific | SH30070 | |
| Viton diaphragm solenoid valves | McMaster Carr | 4868K11 | |
| Pressure Transducer | Omega Engineering, Inc. | PX302-200GV | |
| Load cell conditioner | Encore Electronics, Inc. | 4025-101 | |
| Data Acquisition (DAQ) Module | Measurement Computing | PMD1608 |
References
- Freeman, R. V., Otto, C. M. Spectrum of calcific aortic valve disease: pathogenesis, disease progression, and treatment strategies. Circulation. 111, 3316-3326 (2005).
- Robicsek, F., Thubrikar, M. J., Fokin, A. A. Cause of degenerative disease of the trileaflet aortic valve: review of subject and presentation of a new theory. Ann Thorac Surg. 73, 1346-1354 (2002).
- Thubrikar, M. J., Aouad, J., Nolan, S. P. Patterns of calcific deposits in operatively excised stenotic or purely regurgitant aortic valves and their relation to mechanical stress. Am J Cardiol. 58, 304-308 (1986).
- Agno, F. S., Chinali, M., Bella, J. N., Liu, J. E., Arnett, D. K., Kitzman, D. W. Aortic valve sclerosis is associated with preclinical cardiovascular disease in hypertensive adults: the Hypertension Genetic Epidemiology Network study. J Hypertens. 23, 867-8673 (2005).
- Cawley, P. J., Otto, C. M. Prevention of calcific aortic valve stenosis – fact or fiction. Annals of Medicine. 41, 100-108 (2009).
- Durst, C. A., Grande-Allen, J. K. Design and physical characterization of a synchronous multivalve aortic valve culture system. Ann Biomed Eng. 38, 319-3125 (2010).
- Engelmayr, G. C., Soletti, L., Vigmostad, S. C., Budilarto, S. G., Federspiel, W. J., Chandran, K. B. A novel flex-stretch-flow bioreactor for the study of engineered heart valve tissue mechanobiology. Ann Biomed Eng. 36, 700-712 (2008).
- Sucosky, P., Padala, M., Elhammali, A., Balachandran, K., Jo, H., Yoganathan, A. P. Design of an ex vivo culture system to investigate the effects of shear stress on cardiovascular tissue. J Biomech Eng. 130, 035001-03 (2008).
- Syedain, Z. H., Tranquillo, R. T. Controlled cyclic stretch bioreactor for tissue-engineered heart valves. Biomaterials. 30, 4078-4084 (2009).
- Lagana, K., Moretti, M., Dubini, G., Raimondi, M. T. A new bioreactor for the controlled application of complex mechanical stimuli for cartilage tissue engineering. Proc Inst Mech Eng H. 222, 705-715 (2008).
- Wartella, K. A., Wayne, J. S. Bioreactor for biaxial mechanical stimulation to tissue engineered constructs. J Biomech Eng. 131, 044501-044501 (2009).
- Wallis, M. C., Yeger, H., Cartwright, L., Shou, Z., Radisic, M., Haig, J. Feasibility study of a novel urinary bladder bioreactor. Tissue Eng Part A. 14, 339-348 (2008).
- Butcher, J. T., Nerem, R. M. Valvular endothelial cells regulate the phenotype of interstitial cells in co-culture: effects of steady shear stress. Tissue Eng. 12, 905-915 (2006).
- Metzler, S. A., Pregonero, C. A., Butcher, J. T., Burgess, S. C., Warnock, J. N. Cyclic Strain Regulates Pro-Inflammatory Protein Expression in Porcine Aortic Valve Endothelial Cells. J Heart Valve Dis. 17, 571-578 (2008).
- Schipke, K. J. . Design of a cyclic pressure bioreactor for the ex vivo study of aortic heart valve mechanobiology. , (2008).
- Smith, K. E., Metzler, S. A., Warnock, J. N. Cyclic strain inhibits acute pro-inflammatory gene expression in aortic valve interstitial cells. Biomechanics and Modeling in Mechanobiology. , (2009).
- Warnock, J. N., Burgess, S. C., Shack, A., Yoganathan, A. P. Differential immediate-early gene responses to elevated pressure in porcine aortic valve interstitial cells. J Heart Valve Dis. 15, 34-41 (2006).
- Brathwaite, D., Weissman, C. The new onset of atrial arrhythmias following major noncardiothoracic surgery is associated with increased mortality. Chest. 114, 462-468 (1998).
- Walsh, S. R., Oates, J. E., Anderson, J. A., Blair, S. D., Makin, C. A., Walsh, C. J. Postoperative arrhythmias in colorectal surgical patients: incidence and clinical correlates. Colorectal Dis. 8, 212-216 (2006).
- Walsh, S. R., Tang, T., Gaunt, M. E., Schneider, H. J. New arrhythmias after non-cardiothoracic surgery. BMJ. 7, 333-333 (2006).
- Walsh, S. R., Tang, T., Wijewardena, C., Yarham, S. I., Boyle, J. R., Gaunt, M. E. Postoperative arrhythmias in general surgical patients. Ann R Coll Surg Engl. 89, 91-95 (2007).
