עיצוב של bioreactor לחץ על מחזורי Ex Vivo מחקר של מסתמי הלב אבי העורקים
Summary
Bioreactor לחץ מחזורית מסוגל להעמיד שסתום רקמת לב לתנאי הלחץ פיזיולוגיים ופתולוגיים תוכנן. תוכנית LabVIEW מאפשר למשתמשים לשלוט על גודל הלחץ, משרעת ותדירות. מכשיר זה יכול לשמש כדי לחקור את mechanobiology של רקמת לב שסתום או תאים בודדים.
Abstract
שסתום אבי העורקים, הנמצא בין החדר השמאלי לבין אבי העורקים, שמאפשר זרימת דם חד כיווני, מונע backflow לתוך החדר. שסתום אבי העורקים עלונים מורכבים תאים ביניים מושעה בתוך המטריצה תאית (ECM) ו מכוסים monolayer תא האנדותל. השסתום עמיד סביבה קשים, דינמי חשוף כל הזמן גזירה, כפיפה, מתח, דחיסה. מחקרים הראו נגעים calcific ב שסתומים חולה להתרחש באזורים של לחץ מכני גבוה כתוצאה של הפרעה או נזק אנדותל מטריצה ביניים 1-3. לפיכך, אין זה מפתיע כי מחקרים אפידמיולוגיים הראו לחץ דם גבוה להיות גורם סיכון המובילות תחילת המחלה שסתום אבי העורקים 4.
האפשרות היחידה העומדת כיום לטיפול במחלה הוא החלפת המסתם כירורגית של המסתם הפגוע עם שסתום מכני או bioprosthetic 5. הבנה משופרת של הביולוגיה שסתום בתגובה מדגיש גופנית תעזור להבהיר את מנגנוני הפתוגנזה שסתום. בתורו, זה יכול לעזור בפיתוח של טיפולים לא פולשניים כגון התערבות מניעה או תרופות. Bioreactors פותחו מספר קודם ללמוד את mechanobiology של מסתמי הלב יליד או מהונדסים 6-9. Bioreactors pulsatile יש גם פותחו ללמוד מגוון רחב של רקמות, כולל 10 סחוס, עצם 11 ושלפוחית השתן 12. מטרת עבודה זו היתה לפתח מערכת לחצים מחזורית שניתן להשתמש בו על מנת להבהיר את התגובה הביולוגית של עלונים שסתום אבי העורקים אל המון לחץ מוגבר.
המערכת כללה תא אקרילי שבו למקום דגימות לייצר לחץ מחזורית, סולנואיד Viton הסרעפת שסתומים לשלוט בעיתוי של המחזור לחץ, מחשב כדי לשלוט מכשירים חשמליים. הלחץ היה פיקוח באמצעות מתמר הלחץ, את האות הותנה בעזרת מרכך תא העומס. תוכנית LabVIEW מוסדר את הלחץ באמצעות מכשיר אנלוגי משאבת אוויר דחוס לתוך המערכת בקצב המתאים. המערכת חיקה את רמות הלחץ הדינמי transvalvular הקשורים שסתום אבי העורקים, גל שן ראה המיוצר עלייה הדרגתית בלחץ, אופייני שיפוע הלחץ transvalvular כי קיים על פני המסתם במהלך דיאסטולה, ואחריו ירידה חדה בלחץ המתארות פתיחת שסתום התכווצות. התוכנית LabVIEW מותר למשתמשים לשלוט על עוצמת ותדירות לחץ מחזורית. המערכת הצליחה נושא דגימות רקמה לתנאי הלחץ פיזיולוגיים ופתולוגיים. מכשיר זה יכול לשמש כדי להגביר את הבנתנו כיצד מסתמי הלב להגיב לשינויים בסביבה מכני המקומית.
Protocol
Discussion
המערכת חשופה ללחץ בהצלחה עלונים שסתום אבי העורקים ללחצים מחזורית שהיו נציג הלחץ הדיאסטולי transvalvular. עם זאת, לא הצליחה לחקות את הלחץ הסיסטולי transvalvular, כמו הלחץ רק ירד ל 40 מ"מ כספית. לחץ Transvalvular ההבדל בין הלחץ באבי העורקים העולה ואת החדר השמאלי. במהלך דיאסטולה, כאשר שסתו…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים מודים שאד Schipke ודניאל Chesser עזרתם בעיצוב ייצור של המערכת מיילס Valtresa לסיוע בהכנת כתב היד.
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).
