Devirli Basınç Biyoreaktör Tasarım Ex vivo Eğitim
Summary
Basınç koşulları fizyolojik ve patolojik kalp kapakçığı dokusu tabi yapabilen bir siklik basınç biyoreaktör dizayn edilmiştir. LabVIEW programı, kullanıcıların basınç büyüklüğü, genlik ve frekans kontrol etmenizi sağlar. Bu cihaz, kalp kapakçığı dokusu veya izole hücrelerin mechanobiology incelemek için kullanılabilir.
Abstract
Ventrikül içine geri akmasını önlemek, sol ventrikül ve aorta arasında bulunan aort kapak, tek yönlü kan akımını sağlar. Aort kapak broşürler, interstisyel hücreleri ve endotel hücre tek tabaka ile kaplı, bir ekstrasellüler matriks (ECM) içinde askıya oluşur. Vana sert, dinamik bir ortamda dayanıklıdır ve kesme, fleksiyon, gerginlik, ve sıkıştırma sürekli maruz kalmaktadır. Araştırma endotel bozulması veya interstisyel matris hasar 1-3 bir sonucu olarak, yüksek mekanik stres alanlarında meydana hastalıklı vanalar kalsifik lezyonlar göstermiştir . Bu nedenle, epidemiyolojik çalışmalarda yüksek kan basıncı, aort kapak hastalığı 4 başlangıcı önde gelen risk faktörü olarak göstermiştir ki şaşırtıcı değildir .
Hastalıklı bir biyoprotez ve mekanik kapak 5 ile vana, kapak hastalığı için mevcut tek tedavi seçeneği cerrahi yerine geçer . Fiziksel strese yanıt olarak vana biyolojisinin daha iyi anlaşılması, valf patogenezinin mekanizmaları aydınlatmak yardımcı olacaktır. Buna karşılık, bu gibi ilaç müdahale ya da önlenmesi gibi non-invaziv tedavilerin geliştirilmesine yardımcı olabilir. Çeşitli biyoreaktörler daha önce, yerli veya mühendislik kalp kapakçıkları 6-9 mechanobiology okumak için geliştirilmiştir . Pulsatil biyoreaktörler da dahil olmak üzere dokularda kıkırdak 10, 11 kemik ve mesane 12 bir dizi çalışma için geliştirilmiştir. Bu çalışmanın amacı, yüksek basınç yükleri aort kapak broşür biyolojik yanıt aydınlatmak için kullanılan olabilir döngüsel bir basınç sistemi geliştirmek için oldu.
Sistem örnekleri yer ve döngüsel basınç, basınç döngüsünün zamanlamasını kontrol etmek için viton diyafram solenoid valfler, ve elektrikli cihazları kontrol etmek için bir bilgisayar üretmek için akrilik bir odasının oluşuyordu. Basınç, basınç dönüştürücü kullanarak takip edildi ve sinyal bir yük hücresi kremi kullanılarak klimalı. LabVIEW programı uygun hızda sistem içine basınçlı hava pompalamak için bir analog cihaz kullanarak basınç düzenlenmiştir. Sistem, aort kapak ile ilişkili dinamik transvalvüler basınç seviyeleri taklit bir testere dişi dalga kapak açılışını temsil eden keskin bir basınç düşüşü takip diyastolde vana üzerinden mevcut olduğunu transvalvüler basınç gradiyenti tipik basınç kademeli bir artış, üretilen sistol. LabVIEW programı kullanıcıları siklik basınç büyüklüğü ve sıklığı kontrol etmek için izin verdi. Sistem basınç koşulları fizyolojik ve patolojik doku örnekleri konu başardı. Bu cihaz, kalp kapakçıkları, yerel mekanik çevre değişiklikleri nasıl cevap anlayışımızı artırmak için kullanılabilir.
Protocol
Discussion
Basınç sistemi başarıyla aort kapak broşürler, diastolik transvalvüler basınç temsilcisi siklik baskılara maruz. Ancak, sadece basıncı 40 mmHg düştü, sistolik transvalvüler basınç taklit etmek mümkün değildi. Transvalvüler basınç Asendan aorta ve sol ventrikül basıncı arasındaki farktır. Diyastol sırasında, kapak kapatıldığında, normotansif koşulları ve 90 mmHg altında basınç farkı 80mmHg ve evre I ve evre II hipertansiyon, sırasıyla 100mmHg. Sistol sırasında, kapak açık ol…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar, sistem ve yazının hazırlanmasında yardım için Valtresa Myles tasarım ve üretim ile yardım için Shad Schipke ve Daniel Chesser minnettarız.
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).
