Ontwerp van een Cyclic Pressure Bioreactor voor de Ex Vivo Studie van Aorta hartkleppen
Summary
Een cyclische druk bioreactor in staat om onderwerpen hartklep tissue om fysiologische en pathologische condities druk is ontworpen. Een LabVIEW programma stelt gebruikers in staat om de controle druk omvang, amplitude en frequentie. Dit apparaat kan gebruikt worden om de Mechanobiologie van hartklep tissue of geïsoleerde cellen te bestuderen.
Abstract
De aortaklep, gelegen tussen de linker ventrikel en de aorta, zorgt voor unidirectionele bloedstroom, het voorkomen van terugstroming in het ventrikel. Aortaklep folders zijn samengesteld uit interstitiële cellen gesuspendeerd in een extracellulaire matrix (ECM) en zijn bekleed met een endotheelcellen monolaag. Het ventiel is bestand tegen een harde, dynamische omgeving en is voortdurend blootgesteld aan afschuiving, buiging, spanning en compressie. Onderzoek heeft aangetoond kalkvormende laesies in zieke afsluiters voorkomen in gebieden met een hoge mechanische stress als gevolg van endotheliale verstoring of interstitiële matrix schade 1-3. Daarom is het niet verwonderlijk dat epidemiologische studies een hoge bloeddruk heeft een leidende risicofactor bij het ontstaan van de aortaklep ziekte 4 getoond.
De enige behandelingsmogelijkheid die momenteel beschikbaar zijn voor ventiel ziekte is operatief vervangen van de zieke klep met een bioprosthetic of mechanische klep 5. Beter begrip van de afsluiter biologie in reactie op de fysieke belasting zou helpen ophelderen van de mechanismen van de klep pathogenese. Op zijn beurt kan dit helpen bij de ontwikkeling van niet-invasieve therapieën zoals farmaceutische interventie of preventie. Verschillende bioreactoren zijn eerder ontwikkeld om de Mechanobiologie van inheemse of aangelegde hartkleppen 6-9 te bestuderen. Pulsatiele bioreactoren zijn ook ontwikkeld om een waaier van weefsels waaronder kraakbeen 10, bot 11 en blaas 12 studiepunten. Het doel van dit werk was om een cyclisch druksysteem die kunnen worden gebruikt om de biologische reactie van aortaklep folders tot een verhoogde druk belasting toe te lichten te ontwikkelen.
Het systeem bestond uit een acryl kamer waarin om monsters te plaatsen en te produceren cyclische druk, viton membraan magneetventielen de timing van de druk cyclus controle, en een computer om elektrische apparaten te bedienen. De druk werd gecontroleerd met behulp van een drukopnemer, en het signaal werd geconditioneerd met behulp van een load cell conditioner. Een LabVIEW programma regelde de druk met behulp van een analoog apparaat aan met perslucht in het systeem op de juiste snelheid. Het systeem nagebootst de dynamische transvalvular druk die samenhangen met de aortaklep, een zaagtand golf produceerde een geleidelijke toename van de druk, typisch voor de transvalvular drukgradiënt die aanwezig over de afsluiter is tijdens de diastole, gevolgd door een scherpe drukval afbeelding van ventiel opening in systole. Het LabVIEW-programma konden gebruikers van de omvang en frequentie van de cyclische drukregeling. Het systeem was in staat om weefselmonsters onder fysiologische en pathologische condities druk. Dit apparaat kan worden gebruikt om ons begrip van hoe hartkleppen te reageren op veranderingen in de lokale mechanische omgeving te verhogen.
Protocol
Discussion
De druk systeem met succes blootgesteld aortaklep folders aan cyclische druk die representatief zijn voor de diastolische transvalvular druk. Het was echter niet in staat om de systolische druk transvalvular na te bootsen, als de druk alleen maar gedaald naar 40 mmHg. Transvalvular druk is het verschil tussen druk in de aorta ascendens en de linker hartkamer. Tijdens de diastole, wanneer de klep gesloten is, is het drukverschil 80mmHg onder normotensieve voorwaarden en 90 mmHg en 100 mmHg in stadium I en fase II hyperte…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs zijn dank verschuldigd aan Shad Schipke en Daniel Chesser voor hun hulp bij het ontwerp en de fabricage van het systeem en Valtresa Myles voor hulp bij de voorbereiding van het manuscript.
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).
