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 JoVE Bioengineering

Progettazione di un bioreattore per la pressione ciclica Ex Vivo Studio delle valvole cardiache aortica

1, 1, 1

1Department of Agricultural and Biological Engineering, Mississippi State University

Article
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    Summary

    Un bioreattore pressione ciclica in grado di sottoporre valvola tessuto cardiaco alle condizioni fisiologiche e patologiche della pressione è stato progettato. Un programma di LabVIEW consente agli utenti di controllare la pressione portata, ampiezza e frequenza. Questo dispositivo può essere utilizzato per studiare la mechanobiology del tessuto cardiaco valvola o cellule isolate.

    Date Published: 8/23/2011, Issue 54; doi: 10.3791/3316

    Cite this Article

    Schipke, K. J., Filip To, S. D., Warnock, J. N. Design of a Cyclic Pressure Bioreactor for the Ex Vivo Study of Aortic Heart Valves. J. Vis. Exp. (54), e3316, doi:10.3791/3316 (2011).

    Abstract

    La valvola aortica, che si trova tra il ventricolo sinistro e l'aorta, consente un flusso unidirezionale, impedendo il riflusso nel ventricolo. Lembi valvolari aortici sono composti da cellule interstiziali sospesi all'interno di una matrice extracellulare (ECM) e sono rivestiti con un monostrato di cellule endoteliali. La valvola resiste un ambiente duro, dinamico ed è costantemente esposto a taglio, flessione, trazione e compressione. La ricerca ha dimostrato lesioni calcifica delle valvole malate si verificano nelle zone di elevato stress meccanico a causa della interruzione o danno endoteliale matrice interstiziale 1-3. Quindi, non sorprende che gli studi epidemiologici hanno dimostrato l'alta pressione sanguigna per essere un fattore di rischio importante nell'insorgenza della malattia della valvola aortica 4.

    L'unica opzione di trattamento attualmente disponibile per la malattia della valvola è la sostituzione chirurgica della valvola malata con una valvola di bioprotesi o meccanico 5. Una migliore comprensione della biologia della valvola in risposta a stress fisici aiuterebbe chiarire i meccanismi della patogenesi della valvola. A sua volta, questo potrebbe aiutare nello sviluppo di terapie non invasive come l'intervento farmaceutico o di prevenzione. Bioreattori Diversi sono stati precedentemente sviluppato per studiare la mechanobiology di valvole cardiache native o attrezzata 6-9. Bioreattori pulsatile sono stati sviluppati per studiare una vasta gamma di tessuti tra cui la cartilagine 10, 11 e osso della vescica 12. Lo scopo di questo lavoro è stato quello di sviluppare un sistema ciclico di pressione che potrebbero essere utilizzati per spiegare la risposta biologica dei lembi valvolari aortici ai carichi di aumento della pressione.

    Il sistema consisteva in una camera acrilico in cui collocare i campioni e produrre pressione ciclica, viton elettrovalvole a membrana di controllare i tempi del ciclo di pressione, e un computer per controllare dispositivi elettrici. La pressione è stata monitorata mediante un trasduttore di pressione, e il segnale è stato condizionato usando un condizionatore cella di carico. Un programma LabVIEW regolata la pressione utilizzando un dispositivo analogico per pompare aria compressa nel sistema al tasso appropriato. Il sistema ha imitato i livelli di pressione dinamica transvalvolare associati con la valvola aortica; un'onda dente di sega ha prodotto un aumento graduale della pressione, tipico del gradiente di pressione transvalvolare che è presente attraverso la valvola durante la diastole, seguito da un brusco calo di pressione che rappresenta l'apertura della valvola a sistole. Il programma LabVIEW ha permesso agli utenti di controllare l'entità e la frequenza della pressione ciclica. Il sistema è stato in grado di sottoporre campioni di tessuto a condizioni di pressione fisiologiche e patologiche. Questo dispositivo può essere utilizzato per aumentare la nostra comprensione di come valvole cardiache rispondere ai cambiamenti nell'ambiente locale meccanico.

    Protocol

    1. Raccolta e preparazione dei tessuti

    1. Le valvole aortica devono essere raccolti da suini adulti peso non superiore a £ 120 subito dopo la morte.
    2. Lavare le valvole due volte con soluzione salina tampone fosfato sterile (PBS) e il trasporto al laboratorio in ghiaccio.
    3. Tutte le fasi successive devono essere eseguite in condizioni sterili.
    4. Assicurarsi che volantini non mostrano alcun segno di degenerazione, lacrimazione o calcificazione. Rimuovere volantini dalla radice aortica, tagliando 1 / 3 della distanza dal l'anello.
    5. Volantini in luogo singoli pozzetti di una piastra ben sei Incubare per una notte con medie da 3 ml di coltura Dulbecco modificato Aquila integrato con 1% di soluzione anti-biotic/anti-mycotic e il 10% di siero fetale bovino a 37 ° C e 5% di CO 2.
    6. In alternativa, le cellule isolate possono essere seminati in sei pozzetti piastre di coltura e utilizzato il dispositivo di pressione. Isolamento di cellule endoteliali e valvola di cellule interstiziali può essere eseguita come descritto in precedenza 13, 14.

    2. Studi di pressione

    1. Una misura della pressione del sistema è stato progettato per studiare gli effetti mechanobiological di pressione ciclica nel tessuto della valvola aortica 15.
    2. Accedere al computer e aprire il programma LabVIEW (Figura 1).
    3. Calibrazione:
      1. Prima della sperimentazione, il sistema dovrebbe essere opportunamente calibrato.
      2. Collegare l'alimentatore al circuito. Questo alimenta le elettrovalvole che controllano il flusso di aria all'interno e all'esterno della camera.
      3. Assicurarsi che l'aria compressa è collegata al sistema e aprire l'alimentazione di aria alla velocità completa.
      4. Accendere l'amplificatore di segnale. Assicurarsi che la lettura della tensione è 0,00. Regolare se necessario
      5. L'interfaccia LabVIEW dispone di un interruttore la scritta "TEST / RECORD". Assicurarsi che l'interruttore è impostato su "TEST". Fare clic sul pulsante "Air Supply" per aprire l'elettrovalvola di ingresso.
      6. Utilizzando il regolatore di pressione del gas, pressurizzare la camera con aria compressa a 1 PSI. La pressione nella camera può essere letto usando l'indicatore di pressione digitale situato sul retro finale piatto della camera. Una volta che la pressione è equilibrata, registrare la lettura della tensione da amplificatore di segnale. Ripetere l'operazione per PSI 2, 3, 4 e 5.
      7. Costruire una curva di calibrazione di pressione contro di tensione. La pressione deve essere convertito dal PSI al mmHg. L'equazione dal grafico può essere inserito nel codice del programma LabVIEW
    4. Rimuovere la placca frontale in alluminio dalla camera di pressione e spruzzare la camera con il 70% di etanolo. Lasciare agire per un minimo di 10 minuti per consentire l'etanolo residuo dei fumi di dissipare.
    5. Posto a sei pozzetti contenenti i campioni volantino nella camera e sostituire la piastra front-end. Garantire la tenuta è tenuta stringendo i dadi situati sui quattro barre filettate (che si trova ad ogni angolo della piastra finale) a mano. Posizionare la camera di pressione nel 37 ° C incubatore. Un diagramma schematico della camera di pressione è mostrata in figura 2.
    6. L'interfaccia sarà richiesto all'utente di fornire la quantità di tempo i cicli di sistema tra ingresso e uscita aria compressa. Questi dovrebbero essere regolate per le condizioni diastolica e sistolica e 0.6s 0.4s per imitare, rispettivamente, ad una frequenza di 1Hz. L'utente deve inserire anche un file di dati percorso.
    7. In LabVIEW, fare clic su Esegui e passare il "TEST / RECORD" passare a "RECORD".
    8. Assicurarsi che la pressione è al livello desiderato utilizzando il grafico sull'interfaccia LabVIEW. La pressione può essere regolata utilizzando il regolatore di pressione del gas.
    9. Eseguire il programma per la lunghezza di tempo desiderato.
    10. Una volta che l'esperimento è completa, fare clic sul pulsante di arresto su LabVIEW, spegnere l'alimentazione dell'aria e aprire la valvola di scarico in camera di pressione.
    11. Rimuovere la piastra di front-end dalla camera e recuperare così sei campioni piastra contenente. I campioni possono essere analizzati per l'espressione genica, espressione proteica, istologia, proprietà meccaniche etc

    3. Rappresentante dei risultati:

    Il sistema di pressione è in grado di simulare la pressione massima transvalvolare osservato sotto normotesi, fase I e fase II condizioni ipertesi. Tuttavia, la pressione non era in grado di mimare il gradiente di pressione sistolica, che è essenzialmente zero nel vivo. La frequenza è mantenuta a 1Hz, con un tempo di 0.6s dell'aria in ingresso e un tempo di scarico di 0.4s. Rappresentante pressione forme d'onda di condizioni di pressione normali che elevate ottenuti dal sistema può essere visto in figura 3.

    Figura 1
    Figura 1: Schermata dell'interfaccia LabVIEW.

    Figura 2
    Figura 2: Schema della camera di pressione A. vista isometrica della camera di pressione; B. Vista laterale della camera di pressione;C. Vista dall'alto della camera di pressione.

    Figura 3
    Figura 3: Grafico di simulazione della pressione all'interno della camera di pressione (A) normotesi, (B) Fase I ipertesi, e (C) Fase II condizioni ipertesi.

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    Discussion

    Il sistema di pressione con successo esposti lembi della valvola aortica a pressioni cicliche che erano rappresentativi della pressione diastolica transvalvolare. Tuttavia, non era in grado di simulare la pressione sistolica transvalvolare, come l'unica pressione è sceso a 40 mmHg. Pressione transvalvolare è la differenza tra la pressione in aorta ascendente e del ventricolo sinistro. Durante la diastole, quando la valvola è chiusa, la differenza di pressione è 80mmHg in condizioni normotesi e 90 mmHg e 100 mmHg in fase I e fase II, l'ipertensione, rispettivamente. Durante la sistole, quando la valvola è aperta, la differenza di pressione tra il ventricolo sinistro e dell'aorta ascendente è zero. I cambiamenti cellulari che si verificano nella malattia della valvola aortica si ritiene siano associati ad alta pressione diastolica, quindi, il fatto che la pressione non è caduto a zero non può essere una delle principali preoccupazioni. Questo si basa sul presupposto che si tratta di grandezza pressione e non l'ampiezza di pressione che è la forza trainante risposte biologiche. Ridurre la pressione da 100 mmHg a 0 mmHg richiede 1,20 ± 0.04s, riportato dall'analisi dei dati di 20 cicli di pressione. Dal momento che la quantità di tempo si chiude la valvola aortica è circa 2 / 3 del ciclo cardiaco, l'afflusso di aria nella camera a pressione richiederebbe 2.4s per creare lo stesso equilibrio di apertura e chiusura della valvola con esperienza in condizioni fisiologiche. Di conseguenza, una frequenza di 0,28 Hz sarebbe stato utilizzato per testare gli effetti sia sistolica e diastolica livelli di pressione transvalvolare su mechanobiology valvola aortica. Tuttavia, se la pressione sia sistolica transvalvolare diastolica sono da simulare a una frequenza di 1 Hz fisiologica, una pompa a vuoto e serbatoio può essere montato l'elettrovalvola di scarico. La pompa a vuoto può essere impostata per rimuovere una quantità fissa di pressione in modo che quando si apre la valvola di scarico, la quantità di aria necessaria per ridurre completamente la pressione dal livello di pressione impostato sarebbe stato redatto nel serbatoio vuoto. La rimozione della pressione creerebbe un ambiente 0 mmHg, sinonimo di pressione sistolica transvalvolare. Al contrario, quando la valvola di scarico si chiude, il vuoto non avrà più effetto la camera e consentirebbe di aumentare la pressione tramite aria compressa. Oltre a utilizzare una pompa a vuoto per imitare più condizioni fisiologiche, una valvola di scarico con un diametro maggiore può essere usata per la caduta di pressione all'interno del bioreattore più rapidamente. Attualmente, il 3 / 8 "di scarico della valvola solenoide di diametro ha una portata di 3,3 litri al minuto (a 60 ° F, peso specifico di 1) e che, una valvola di scarico con un diametro di 2" ha una portata di 28,0 litri al minuto. Più una valvola solenoide diametro è più conveniente che usare una pompa a vuoto, tuttavia non può essere in grado di abbandonare completamente la pressione a zero nel raggio d'azione fisiologico e deve pertanto essere ulteriormente analizzato. In alternativa, elettrovalvole varie innescato dal circuito stesso controllo che si aprono allo stesso tempo potrebbe essere aggiunto, quindi "elaborazione parallela" la fuoriuscita del gas.

    Il sistema potrebbe essere gestito in continuo mediante in-house aria compressa. Studi precedenti hanno dimostrato che i cambiamenti acuta nei geni e di espressione delle proteine ​​può avvenire in due ore 16, 17. Tuttavia, questa durata non può essere sufficiente per studiare transitori gene / proteina espressione o cambiamenti nel fenotipo cellulare a seguito di sollecitazioni meccaniche. Lo svantaggio di utilizzare l'aria compressa è che il gas non contiene il 5% di CO 2, che è importante per il controllo del pH del terreno di coltura. Questo può essere superato con l'aggiunta di tampone Hepes al mezzo. Inoltre, le cellule producono CO 2 come prodotto di scarto del metabolismo. Secrezione di CO 2 dal tessuto eviterà anche il medium diventa fondamentale.

    Oltre ai test valvole aortica a pressioni diverse, può essere prudente per studiare gli effetti di diverse frequenze pure. Per esempio, gli effetti dei cambiamenti nella frequenza cardiaca prima, durante e dopo l'intervento potrebbe chiarire cambiamenti nell'espressione delle proteine ​​all'interno della valvola. Aritmie postoperatorie si verificano in oltre il 20% dei pazienti 18-21. Il programma LabVIEW utilizzato per questo sistema permette all'utente di scegliere la lunghezza del tempo d'aria entra ed esce la camera, quindi, la frequenza del ciclo può essere facilmente regolata. Il dispositivo consente una frequenza massima di 1,5 Hz (90bpm) a causa della quantità di tempo necessario per scaricare la pressione dalla camera. Come si vede in Figura 3, una riduzione della pressione maggiore si è verificato nel 0.2s prima volta dopo l'attivazione della valvola di scarico, poi gradualmente diminuita la pressione residua per la 0.2s restante di gas di scarico. La perdita di carico medio del 0.2s iniziale di scarico era 45,8 ± 0.34mmHg, misurata nell'arco di 20 cicli di pressione. Dato che i test di fase II condizioni ipertesi richiede solo la pressione in bicicletta tra almeno 60-100 mmHg, una frequenza di 1,5 Hz permette 0.22s per gas di scarico, che è ampio time al crollo del 40 mmHg di pressione. Se una pompa a vuoto è collegato alla valvola di scarico, potrebbe facilitare un calo più rapido della pressione e permetterebbe di prova più alta frequenza. La frequenza minima del bioreattore non si limita, però, perché il regolatore di pressione potrebbe consentire lento afflusso di aria e la valvola di scarico avrebbe il tempo sufficiente per cadere la pressione all'interno del reattore.

    In conclusione, un sistema di coltura sterile è stato costruito per consentire lo studio ex vivo di mechanobiology valvola cardiaca aortica suina. La pressione all'interno del bioreattore in bici tra i livelli di pressione diastolica transvalvolare per condizioni fisiologiche e patologiche. Per soddisfare i requisiti di sistema, il bioreattore è stato compatto e potrebbe quindi essere contenuta all'interno di un incubatore umidificato per mantenere la temperatura dei tessuti a 37 ° C. Inoltre, l'entità della pressione e della frequenza sono stati controllati in modo indipendente, permettendo una vasta gamma di condizioni da studiare.

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    Disclosures

    Nessun conflitto di interessi dichiarati.

    Acknowledgements

    Gli autori sono grati a Shad Schipke e Daniel Chesser per la loro assistenza con la progettazione e la realizzazione del sistema e Myles Valtresa per l'assistenza con la preparazione del manoscritto.

    Materials

    Name Company Catalog Number Comments
    DMEM Sigma-Aldrich D5671
    Dulbecco’s PBS Sigma-Aldrich D5652
    Anti-mycotic/antibiotic solution Sigma-Aldrich A5955
    Fetal Bovine Serum Thermo Fisher Scientific, Inc. 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

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    1 Comment

    Thanks for the detailed information to me it is very helpful.


    Mitral Valve
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    Posted by: AnonymousNovember 1, 2011, 2:06 AM

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