تصميم مفاعل حيوي لضغط الدوري السابقين فيفو دراسة صمامات القلب الأورطي
Summary
وقد تم تصميم مفاعل حيوي قادر على الضغط دوري تعريض أنسجة القلب صمام ضغط الظروف الفسيولوجية والمرضية. برنامج يتيح للمستخدمين ابفيو (LabVIEW) للسيطرة على ضغط حجم والسعة والتردد. ويمكن استخدام هذا الجهاز لدراسة mechanobiology من نسيج صمام القلب او خلايا معزولة.
Abstract
الصمام الأبهري ، وتقع بين البطين الأيسر والشريان الأورطي ، ويسمح لتدفق الدم أحادي الاتجاه ، ومنع ارتجاعي في البطين. وتتألف منشورات صمام الشريان الأبهر من الخلايا الخلالي علقت داخل المصفوفة خارج الخلية (ECM) وتصطف مع الخلايا البطانية أحادي الطبقة. صمام يقاوم قاسية ، بيئة دينامية ويتعرض باستمرار إلى القص ، والانحناء ، والتوتر والضغط. وقد أظهرت الأبحاث الآفات كلسي في الصمامات المريضة تحدث في مناطق التوتر ميكانيكية عالية نتيجة لتعطل أو البطانية الخلالي مصفوفة الضرر 1-3. وبالتالي ، فإنه ليس من المستغرب أن الدراسات الوبائية أظهرت ارتفاع ضغط الدم ليكون عامل خطر رئيسي في ظهور مرض الصمام الأبهر 4.
خيار العلاج الوحيد المتاح حاليا للمرض هو استبدال صمام جراحية لمريضة مع صمام صمام bioprosthetic أو ميكانيكية 5. وتحسين فهم البيولوجيا صمام استجابة للضغوط المادية تساعد في الكشف عن آليات المرضية صمام. في المقابل ، يمكن أن يساعد ذلك في تطوير علاجات غير الغازية مثل التدخل الصيدلانية أو الوقائية. وقد تم تطويره من قبل العديد من المفاعلات الحيوية لدراسة mechanobiology من صمامات القلب الأصلي أو هندسيا 6-9. كما تم تطوير المفاعلات الحيوية نابض لدراسة مجموعة من الأنسجة بما في ذلك الغضروف 10 ، 11 العظام والمثانة 12. كان الهدف من هذا العمل لوضع نظام دوري الضغط التي يمكن استخدامها لتوضيح الاستجابة البيولوجية منشورات صمام الشريان الأبهر للأحمال زيادة الضغط.
يتألف النظام من غرفة الاكريليك التي ترغب في وضع العينات وانتاج ضغط الدوري ، والصمامات اللولبي VITON الحجاب الحاجز للسيطرة على توقيت دورة الضغط وجهاز كمبيوتر للتحكم في الأجهزة الكهربائية. تم رصد الضغط باستخدام محول الضغط ، وكانت مشروطة الإشارة باستخدام مكيفات تحميل الخلية. برنامج ابفيو (LabVIEW) ينظم الضغط باستخدام جهاز تمثيلي على ضخ الهواء المضغوط في النظام بسعر مناسب. تحاكي النظام الحيوي مستويات ضغط transvalvular المرتبطة صمام الشريان الأبهر ، وشهدت موجة الأسنان تنتج زيادة تدريجية في الضغط ، نموذجية من التدرج الضغط transvalvular التي موجود في جميع أنحاء صمام أثناء انبساط ، تليها انخفاض ضغط حاد في تصور فتح صمام انقباضة. يسمح البرنامج للمستخدمين ابفيو (LabVIEW) للتحكم في حجم وتواتر الضغط بصفة دورية. كان النظام قادرا على إخضاع عينات الأنسجة لظروف الضغط والفيزيولوجية المرضية. ويمكن استخدام هذا الجهاز لزيادة فهمنا لكيفية صمامات القلب الاستجابة للتغيرات في البيئة المحلية الميكانيكية.
Protocol
Discussion
ويتعرض نظام الضغط بنجاح منشورات صمام الشريان الأبهر للضغوط التي كانت ممثلة دوري للضغط الانبساطي transvalvular. ومع ذلك ، فإنه لم يكن قادرا على محاكاة الضغط الانقباضي transvalvular ، كما انخفض ضغط فقط إلى 40 مم زئبق. الضغط Transvalvular هو الفرق بين الضغط في الأبهر الصاعد والبطين الأيسر. ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
المؤلفون ممتنون لSchipke شاد وChesser دانيال لمساعدتهم في تصميم وتصنيع هذا النظام ومايلز Valtresa للمساعدة في إعداد مخطوطة.
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).
