ミニチュア組織培養系でマウス心臓弁の培養
Summary
Here, we present an ex vivo flow model in which murine cardiac valves can be cultured allowing the study of the biology of the valve.
Abstract
Heart valve disease is a major burden in the Western world and no effective treatment is available. This is mainly due to a lack of knowledge of the molecular, cellular and mechanical mechanisms underlying the maintenance and/or loss of the valvular structure.
Current models used to study valvular biology include in vitro cultures of valvular endothelial and interstitial cells. Although, in vitro culturing models provide both cellular and molecular mechanisms, the mechanisms involved in the 3D-organization of the valve remain unclear. While in vivo models have provided insight into the molecular mechanisms underlying valvular development, insight into adult valvular biology is still elusive.
In order to be able to study the regulation of the valvular 3D-organization on tissue, cellular and molecular levels, we have developed the Miniature Tissue Culture System. In this ex vivo flow model the mitral or the aortic valve is cultured in its natural position in the heart. The natural configuration and composition of the leaflet are maintained allowing the most natural response of the valvular cells to stimuli. The valves remain viable and are responsive to changing environmental conditions. This MTCS may provide advantages on studying questions including but not limited to, how does the 3D organization affect valvular biology, what factors affect 3D organization of the valve, and which network of signaling pathways regulates the 3D organization of the valve.
Introduction
心臓弁疾患は、西洋世界における罹患率および死亡率の主要な原因です。その有病率は年齢とともに増加し、それは人口75年の10％以上と1古い影響を与えます。ハートの全身一部、大動脈弁と僧帽弁の弁は、ほとんど影響を受けています。心臓弁疾患は、機械的特性2の変化をもたらすバルブの高度に組織構造の喪失によって特徴づけられます。構造的完全性は、弁の機能のために極めて重要です。
弁のリーフレットは、非常に層状のパターン3,4で構成されて弁膜間質細胞（VIC）、弁膜内皮細胞（VEC）、および細胞外マトリックス、から構成されています。 VICには、ECM合成、分解と組織を担当しています。要因としては、血流から発せられる電気部品やその機能を組織のVICにECMの行為に常駐しています。加えて、機械的な力は、圧縮または引張応力がVICの5の動作に影響を与える、層状または振動せん断応力が生じる心周期中のリーフレットに作用します。
弁の構造が制御されている方法を理解するためには、最初のVICは、心周期の間に経験した刺激の多様なセットにどのように反応するかを理解する必要があります。in vitro試験は、心臓弁膜細胞の特性や能力について非常に有益でした。 in vitroでのこれらの細胞の応答は、しかし、常に正確にin vivoでの応答6を模倣しないことがあります。例えば、刺激にVICの応答は、ECおよびECM組成5の存在に依存します。また、刺激に対する弁膜細胞の応答は、リーフレット7に、その特定の場所に依存します。生化学的な刺激に加えて、弁の細胞の挙動は、Oに作用する機械的な力によって決定されますn個のバルブ8。バルブの各領域は、血行力学的応力の自身の特定のセットに供されます。現在のex vivoでのモデルは、機械的な力が弁膜構造5の重要な決定因子であることを示してきましたが、関連するメカニズムはまだ不明です。 in vivoモデルは、弁膜開発9,10の根底にある分子メカニズムへの洞察を提供してきたが、大人弁膜生物学への洞察はまだとらえどころのないです。
したがって、ex vivoでのフロー・モデルとは、心臓弁は、時間11の長期間の心に彼らの自然な位置で培養することができる開発されました。これは、弁がその天然のコンフィギュレーションに残りおよびVICは、VICの応答が可能な限り自然な刺激になって、 インビボのと同じ環境を経験するという利点を有します。また、心の中で彼らの自然な位置にある弁の文化はそれぞれを施す容易関連する血行動態ストレスに弁膜地域。このex vivoでのモデル、 すなわち、小型組織培養系（MTCS）において、弁は、心臓弁のリモデリングにおけるそれらの役割の研究を可能にする種々の生化学的及び血行力学的な刺激を受けることができます。
Protocol
Representative Results
Discussion
マウス心臓弁の培養における重要なステップは、流れの適切な向きを確保するために、マウスから心臓の切除および弁に対して垂直に針の生存率および連結を確実にするためにできるだけ短く灌流チャンバー内ライゲーションの間の時間を作る挙げ。さらに、メディアなし灌流チャンバー内ライゲーション後の流れをチェックする適切な挿入や針の連結を確実にします。これは、無菌培養を?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This study is supported by the Dutch Heart Foundation and the Netherlands Institute for Regenerative Medicine.
Materials
| Dulbecco’s Modified Eagle Medium | life technolgies | 10569-010 | |
| Fetal Bovine Serum | life technolgies | 26140 | |
| Insulin-Transferrin-Selenium | life technolgies | 41400-045 | |
| Antibiotic-Antimycotic | life technolgies | 15240-06 | |
| Silk 7-0 | Ethicon | 768G | |
| 100 mm culture dish | Greiner bio-one | 664160 | |
| 50 ml tube | Greiner bio-one | 227261 | |
| 5 ml syringe | BD | 309649 | |
| 21 G needle | BD | 304432 | |
| Heparin | LEO | 012866-08 | |
| Forceps | Fine Science Tools | 11295-00 | |
| Micro Scissors, Economy, Vannas-type | Tedpella | 1346 | |
| Silicon tubing | Thermo Scientific | 8060-0020 | I.D. x O.D. x Wall: 1.59 x 3.18 x 0.79 mm |
| Silicon tubing for pump | Masterflex | 96400-13 | I.D. x O.D. x Wall: 0,8 x1,59 x 0,40 mm |
| Biocompatible glue (Histoacryl) | B. Braun | 1050071 | |
| precision vaporizer | Dräger | Vapor 200 | |
| peristaltic roller pump | Masterflex | 7521-35 | |
| Easy-load pump head | Masterflex | 7518-00 | |
| Flow chamber | see Lieber et al., 2010 | ||
| Bubble trap | see Lieber et al., 2010 |
References
- Go, A. S., et al. Heart Disease and Stroke Statistics–2014 Update: A Report From the American Heart Association. Circulation. 129, e28-e292 (2013).
- Gould, S. T., Srigunapalan, S., Simmons, C. A., Anseth, K. S. Hemodynamic and Cellular Response Feedback in Calcific Aortic Valve Disease. Circulation Research. 113 (2), 186-197 (2013).
- Kruithof, B. P. T., Krawitz, S. A., Gaussin, V. Atrioventricular valve development during late embryonic and postnatal stages involves condensation and extracellular matrix remodeling. Developmental biology. 302 (1), 208-217 (2007).
- Schoen, F. J. Cardiac valves and valvular pathology: update on function, disease, repair, and replacement. Cardiovascular pathology: the official journal of the Society for Cardiovascular Pathology. 14 (4), 189-194 (2005).
- Balachandran, K., Sucosky, P., Yoganathan, A. P. Hemodynamics and mechanobiology of aortic valve inflammation and calcification. International journal of inflammation. , 263870 (2011).
- Butcher, J. T., Simmons, C. A., Warnock, J. N. Mechanobiology of the Aortic Heart Valve. The Journal of heart valve disease. 17 (1), 62-73 (2008).
- Balachandran, K., Konduri, S., Sucosky, P., Jo, H., Yoganathan, A. P. An ex vivo study of the biological properties of porcine aortic valves in response to circumferential cyclic stretch. Annals of biomedical engineering. 34 (11), 1655-1665 (2006).
- Weiler, M., Hwai Yap, C., Balachandran, K., Padala, M., Yoganathan, A. P. Regional analysis of dynamic deformation characteristics of native aortic valve leaflets. Journal of Biomechanics. 44, 1459-1465 (2011).
- Combs, M. D., Yutzey, K. E. Heart valve development: Regulatory networks in development and disease. Circulation Research. 105, 408-421 (2009).
- Kruithof, B. P. T., Duim, S. N., Moerkamp, A. T., Goumans, M. -. J. TGFβ and BMP signaling in cardiac cushion formation: lessons from mice and chicken. Differentiation; research in biological diversity. 84 (1), 89-102 (2012).
- Lieber, S. C., Kruithof, B. P. T., Aubry, N., Vatner, S. F., Gaussin, V. Design of a miniature tissue culture system to culture mouse heart valves. Annals of biomedical engineering. 38 (3), 674-682 (2010).
