Diseño de un biorreactor de presión cíclica de la Ex Vivo Estudio de las válvulas aórtica del corazón
Summary
Un biorreactor presión cíclica capaz de someter a los tejidos del corazón de la válvula de presión a las condiciones fisiológicas y patológicas ha sido diseñado. Un programa LabVIEW permite a los usuarios para controlar la presión magnitud, amplitud y frecuencia. Este dispositivo puede ser utilizado para estudiar el tejido mecanobiología de las válvulas del corazón o células aisladas.
Abstract
La válvula aórtica, localizada entre el ventrículo izquierdo y la aorta, permite un flujo unidireccional de sangre, evitando el reflujo hacia el ventrículo. Folletos de la válvula aórtica se componen de células intersticiales suspendido dentro de una matriz extracelular (MEC) y se alinean con una monocapa de células endoteliales. La válvula resistente a un ambiente duro, dinámico y está constantemente expuesto a corte, flexión, tensión y compresión. Las investigaciones han demostrado lesiones calcificadas en las válvulas enfermas se producen en zonas de alto esfuerzo mecánico como consecuencia de la alteración del endotelio o daño de la matriz intersticial 1-3. Por lo tanto, no es de extrañar que los estudios epidemiológicos han demostrado que la hipertensión es un factor de riesgo en la aparición de la enfermedad de la válvula aórtica 4.
La única opción de tratamiento actualmente disponibles para la enfermedad de la válvula es la cirugía de reemplazo de la válvula enferma por una válvula mecánica o bioprótesis 5. Una mejor comprensión de la biología de la válvula en respuesta a las tensiones físicas que ayudan a dilucidar los mecanismos de la patogénesis de la válvula. A su vez, esto podría ayudar en el desarrollo de terapias no invasivas, como la intervención farmacéutica o la prevención. Biorreactores varios han sido previamente desarrollado para estudiar la mecanobiología de las válvulas del corazón nativo o ingeniería 6-9. Biorreactores pulsátil también se han desarrollado para estudiar una amplia gama de tejidos incluyendo el cartílago 10, 11 huesos y la vejiga 12. El objetivo de este trabajo fue desarrollar un sistema de presión cíclica que puede ser utilizado para dilucidar la respuesta biológica de la válvula aórtica a las cargas de mayor presión.
El sistema consistía en una cámara de acrílico en el que colocar las muestras y producir una presión cíclica, viton válvulas de solenoide del diafragma para controlar el tiempo del ciclo de presión, y un ordenador para controlar los dispositivos eléctricos. La presión se controlará mediante un transductor de presión, y la señal se acondicionó con un acondicionador de la célula de carga. Un programa LabVIEW regula la presión usando un dispositivo analógico a la bomba de aire comprimido en el sistema a la velocidad adecuada. El sistema imita la dinámica de los niveles de presión transvalvular asociados con la válvula aórtica, una onda de diente de sierra produce un aumento gradual en la presión, típico de la gradiente de presión transvalvular que está presente a través de la válvula durante la diástole, seguida de una fuerte caída de presión que representa la apertura de la válvula en sístole. El programa LabVIEW permite a los usuarios controlar la magnitud y la frecuencia de presión cíclica. El sistema fue capaz de someter a las muestras de tejido de las condiciones de presión fisiológicos y patológicos. Este dispositivo se puede utilizar para aumentar nuestra comprensión de cómo las válvulas del corazón responder a los cambios en el entorno mecánico local.
Protocol
Discussion
El sistema de presión con éxito la válvula aórtica folletos expuestos a las presiones cíclicas que eran representativos de la presión diastólica transvalvular. Sin embargo, no fue capaz de imitar la presión sistólica transvalvular, como la única presión se redujo a 40 mmHg. Presión transvalvular es la diferencia entre la presión en la aorta ascendente y el ventrículo izquierdo. Durante la diástole, cuando la válvula está cerrada, la diferencia de presión es 80 mmHg en condiciones normotensos y 90 mmHg …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores agradecen a Shad y Schipke Chesser Daniel por su ayuda con el diseño y fabricación del sistema y Myles Valtresa de asistencia con la preparación del manuscrito.
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).
