In-vitro-Modell von physiologischen und pathologischen Blutfluss mit Anwendung auf Untersuchungen der Gefäßzell Remodeling
Summary
Dieses Protokoll repliziert physiologische oder pathologische Blutfluss in vitro zur Bestimmung Zellantwort bei Krankheitspathologien unterstützen. Durch Einführung einer Druckdämpfungskammer stromabwärts von einer Blutpumpe, kann die Blutströmung durch die Vaskulatur rekapituliert und auf einer Monoschicht von Gefäßendothel oder eines Mimetikums Kokultur auferlegt.
Abstract
Kreislauf-Erkrankungen ist eine häufige Todesursache in den Vereinigten Staaten. Hier präsentieren wir eine Methode, um den Beitrag der Strömungsdynamik in Richtung Kreislauf-Erkrankungen Erkrankungen zu untersuchen. Ungesunde Arterien oft mit Wandversteifung, Narbenbildung oder partielle Stenose, die alle betreffen können Fluiddurchflußraten, und die Größe der pulsierenden Fluss oder Pulsatilitätsindex vorhanden. Replikation von verschiedenen Strömungsbedingungen ist das Ergebnis der Abstimmung eines Strömungsdruckdämpfungskammer stromab einer Blutpumpe. Einführen von Luft in einem geschlossenen Strömungssystem ermöglicht ein kompressibles Medium auf pulsatile Druck von der Pumpe zu absorbieren und daher variieren die Pulsatilitätsindex. Das hier beschriebene Verfahren ist einfach wiedergegeben werden, mit hoch steuerbaren Eingabe und leicht messbare Ergebnisse. Einige Einschränkungen sind Erholung der komplexen physiologischen Pulswellenform, die nur durch das System angenähert wird. Endothelzellen, glatte Muskelzellen und Fibroblasten werden durch den Blutfluss thr betroffenOugh die Arterie. Die dynamische Komponente des Blutflusses durch das Herzminutenvolumen und Arterienwand Übereinstimmung bestimmt. Gefäßzelle mechanisch-Transduktion der Strömungsdynamik kann Zytokinfreisetzung und Übersprechen zwischen Zelltypen innerhalb der Arterie auslösen. Co-Kultur von Gefäßzellen ist ein genaueres Bild reflektierenden Zell-Zell-Wechselwirkung an die Blutgefäßwand und Gefäßreaktion zur mechanischen Anzeige. Beitrag der Strömungsdynamik, einschließlich der Zelle als Antwort auf die dynamischen und mittlere (oder stationären) Strömungskomponenten, ist daher eine wichtige Metrik zu bestimmen Krankheitspathologie und die Wirksamkeit der Behandlung. Durch die Einführung eines in vitro Cokulturmodell und Druckdämpfung stromabwärts von Blutpumpe, die simulierte Herzleistung erzeugt, können verschiedene arterielle Erkrankung Pathologien untersucht werden.
Introduction
Morbiditätsraten für Herzkreislauferkrankungen sind die größten in Amerika, mit von ungesunden Gefäß viele resultieren. Gesunde Arterien bestehen aus elastischem Gewebe, mit weichen Lumenoberfläche mit einem Endothelzellen (EG) Monoschicht beschichtet. Arteriellen Blutfluss kann als eine oszillierende Wellenfunktion mit positiven mittleren Strömungsgeschwindigkeit modelliert werden. Die Pulsatilitätsindex (PI) ist der Quotient aus Schwingungs Betrag und mittlere Fließ (PI = (Max. – Min.) / Mittelwert), 1 und wurde in vitro mit variabler Gefäßelastizität modelliert 2 Arterielle Elastizität ist bei der Lagerung der Strömung wichtig. Energie von Herzkontraktionen, Dilatation unter den systolischen Druck, und spielt eine bedeutende Rolle bei der Modulation des Blutflusses PI. Weil das Herz für ein konsistentes, pulsatile, Volumenstrom erhöht arterielle Expansionsquerschnittsfläche, die Verbesserung Strömungsstabilität durch die Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit, Schubspannung und PI. Häufig ungesunde Arterien geht auf Elastizitätoder die Einhaltung und zeigt Versteifungs von vaskulären Umbau, Narbengewebe oder Verkalkung 3, 4. Zusätzlich können andere vaskuläre Erkrankungen, wie neointimale Hyperplasie (NIH), 5 Aneurysma und Hypertonie 6 und vaskuläre Fibrose 4, Gefäßdurchmesser zu verengen. Allerdings sind die bisherigen medikamentösen Behandlung und Geräte Behandlung von Gefäßerkrankungen vernachlässigen oft die Bedeutung der Gefßwand Compliance oder Blutströmungsdynamik in vaskulären Erkrankung, die häufig durch Veränderungen der Gefäß Morphologie und Eigenschaften kompliziert. Weder Ballon-Angioplastie oder Stenting beantworten Sie die Komplikation der Wandelastizität 7. Daher fließt in vitro Modellierung von Blut von arteriellen Erkrankungen und Behandlungen resultiert, ist bei der Untersuchung von Krankheitspathologien und künftige Wirksamkeit der Behandlung wichtig. Hier beschreiben wir ein Verfahren zur Replikation von physiologischen und pathologischen Blutfluss zur Zellantwort in Gefäßerkrankungen pathol bestimmengien. Fluidstrom bewirkt Scherspannung an der Gefßwand, die ein wichtiges mechanisches Signal in Gefäß Gesundheit ist, die alle Zellen innerhalb des Gefäßsystems. Mehrere mechanische Sensoren an das vaskuläre Endothel zur Fluidscher identifiziert wurden, einschließlich der letzten Untersuchungen für endotheliale mechanosensing 8 gezeigten primären Zilien. Endotheliale Zell-Aktivität und Morphologie von Strömungsgeschwindigkeit, Richtung und Pulsatilität betroffen. Zusätzlich kann der glatten Muskelzellen (SMC) Migration durch mechano-Signale mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit durch Interstitialflüssigkeit 9 beeinflusst werden, und kann auch durch die parakrine Signalisierung von Endothelzellen durch ihre Reaktion zu fließen und mechano-Transduktion von Flusssignalen via Zytokin freizugeben 10. Die "Dosis" Abhängigkeit der mittleren Scher, PI, und parakrine Signalisierung kann auch voneinander abhängig zu sein. Zu diesem Zweck wird die Bestimmung des Gefäßzellantwort auf Fluidscherungskupplung mit unterschiedlichen "Dosieren" in Monolayer-Kulturoder Co-Kultur in vitro konnten mechanistische Einblicke in die vaskuläre Remodeling und zur Verbesserung der Erkrankung und Behandlung Vorhersage. Das Flusssystem in diesem Experiment verwendet besteht aus einer Blutpumpe, einem vorgeschalteten Strömungsdämpfungsluftbehälter, einem nachgeschalteten Durchflussmesser nur während der Versuchsaufbau, einem nachgeschalteten Zellkultur, Parallelplatten-Durchflusskammer und Medienspeicher verwendet. Kontrolle der Gefäßdurchflussgrößen wie meine Durchfluss, Schläge pro Minute und PI kann durch Steuerung der Strömungsrate, Impulsfrequenz, und die Einführung der Druckdämpfung erreicht werden. Pulsierenden Blutpumpen sind mit variablen Hub Hubraum, bei kontrollierter Hubfrequenz, die sich direkt auf Volumenstrom und Impulsfrequenz bedeutet. Einführung einer Luftbehälter innerhalb des Strömungskreislaufs ermöglicht Druck Dämpfung reduziert Strömungsoszillation Größenordnung. Medium ist ein inkompressibles Fluid, während Luft in der Dämpfungskammer komprimierbar ist, so dass Überdruck von der Strömungswellen seindurch Luftkompression absorbiert. Die Luft um Medien-Verhältnis ermöglicht eine Kontrolle darüber, wie viel Dämpfung auftritt. Ein kundenspezifisches Zellkultur Durchflußkammer 75 mm Länge und 50 mm Breite wurde aus Acryl hergestellt. Strom tritt durch die Einlassöffnung und expandiert durch den Ansaugkrümmer, eine konsistente Strömung über die Gesamtheit der Strömungskammer. Ähnliche Fluss und Strukturen sind in Kammerausgang vorhanden. Zellen werden auf funktionalisierten Objektträger ausgesät und anschließend in die Strömungskammer angebracht ist. Dies ermöglicht eine große Populationen, einfach nach dem Studium abgerufen. Co-Kultur-Experimente kann eine poröse Polycarbonatmembran zu verwenden, um Zell-zu-Zell-Kontakt zwischen den Kulturen zu beseitigen und ermöglicht Zytokin / Flussverkehr. Dieses System wurde zuvor verwendet, um hohe Strömungs PI und seine Wirkung auf die endotheliale Monolayer-Kultur und EC / SMC Kokultur 1, 10 zu modellieren, um die Zellreaktion zu pathologisch hohen PI Krankheit zu untersuchen. Durch die verwendet werden, um diese Strömungs con Musterprotokoll beschreibtBedingungen, hoffen wir, andere bei der Bestimmung Flusssignal Beitrag zur Antwortzelle zu unterstützen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dieses Protokoll beschreibt ein Verfahren zur Wiedergabe pulsatile Strömung de vitro und können instrument erste Schritt bei der Bestimmung Beitrag der Strömungsverhältnisse um Krankheiten Pathologien. Frühere Studien unter Verwendung dieses Protokolls haben festgestellt, Strömungsverhältnisse tragen zu Gefäßentzündungsreaktion. 1, 10 Darüber hinaus dieses Protokoll ist für erfahrene Labors vorgesehen. Als solche weder eingehend Fluidmechanik und auch biochemischen Analyse wird h…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren möchten Finanzierungsquellen, einschließlich der AHA (13GRNT16990019 zu WT) und NHLBI (HL097246 und HL119371 zu WT) zu quittieren.
Materials
| Acetone | Sigma-Aldrich | 34850 | |
| Sulfuric Acid | Sigma-Aldrich | 320501 | |
| (3-Aminopropyl)trethoxysilane | Sigma-Aldrich | 440140 | |
| Glutaraldehyde Solution | Sigma-Aldrich | G5882 | |
| Ethanol | Sigma-Aldrich | 459844 | |
| Glass Slide (70mm x 50mm) | Sigma-Aldrich | CLS294775X50 | |
| Polycarbonate Membrane | Millipore Corp. | HTTP09030 | |
| Silicone Gasket | Grace Bio-Labs | RD 475464 | |
| Fibronectin (25 μg/mL) | Sigma-Aldrich | F1141 | |
| Collagen Type-I | Sigma-Aldrich | C3867 | |
| NaHCO3 | Fluka | 36486 | |
| NaOH | Sigma-Aldrich | S5881 | |
| Damping Chamber | This chamber is custom made, and may be requested using the engineering drawing of Figure 3. | ||
| Blood Pump | Harvard Apparatus | 529552 | |
| Poly-Vinyl Carbonate Tubing | US Plastic | 65066, 65063, 65062 | Various sizes may be required |
| Luer Connections | Nordson Medical | Various | Various sizes will be required, and a number of parts should be purchased for replacement use. |
| Culture Chamber | Machined in-house | Custom | Acrylic may be purchased in sheets and machined for intended use. The engineering drawing shown in Figure 2 may be used to recreate this chamber |
| Square Petri Dish | Cole-Parmer | EW-14007-10 | |
| Glass Slide Holder | Capitol Scientific | WHE-900303 | |
| Fetal Bovine Serum | Mediatech, Inc. | 35-010-CV | |
| Dulbecco's Modified Eagle Medium | Mediatech, Inc. | 10-013-CV | |
| Flow Meter | Sonotec, GmbH | Sonoflow co.55/060 | |
| Sylgard Elastomer Kit | Sigma-Aldrich | 761036-5EA | |
| 14 G Steel Cannula | General Laboratory Supply | S8365-1 |
Referências
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