设计一种用于循环压力生物反应器的装置 离体 主动脉心脏瓣膜的研究

摘要

已设计出一种循环压力生物反应器，可对心脏瓣膜组织施加生理和病理条件下的压力。LabVIEW 程序允许用户控制压力的大小、振幅和频率。该装置可用于研究心脏瓣膜组织或分离细胞的力学生物学特性。

摘要

主动脉瓣位于左心室和主动脉之间，允许单向血流，防止血液反流回心室。主动脉瓣瓣叶由悬浮在细胞外基质（ECM）中的间质细胞构成，表面覆盖有一层内皮细胞单层。该瓣膜承受着严酷且动态的环境，持续受到剪切力、弯曲、张力和压缩力的作用。研究表明，病变瓣膜中的钙化病灶常出现在机械应力较高的区域，这是由于内皮损伤或间质基质受损所致^1-3。因此，流行病学研究显示高血压是主动脉瓣疾病发生的主要危险因素之一，这一点并不令人意外⁴。

目前针对瓣膜疾病的唯一治疗选择是通过生物瓣膜或机械瓣膜进行手术置换⁵。深入理解瓣膜在物理应力作用下的生物学反应，将有助于阐明瓣膜病变的机制。这反过来可能促进非侵入性治疗方法（如药物干预或预防）的开发。已有多种生物反应器被用于研究天然或组织工程心脏瓣膜的力学生物学特性^6-9。此外，脉动式生物反应器也被开发用于研究多种组织，包括软骨¹⁰、骨¹¹和膀胱¹²。本研究的目的是开发一种循环加压系统，用于阐明主动脉瓣瓣叶在压力负荷增加时的生物学响应。

该系统由一个丙烯酸腔室组成，用于放置样品并产生循环压力；采用氟橡胶隔膜电磁阀来控制压力循环的时序；并通过计算机控制电气设备。压力通过压力传感器进行监测，信号经由载荷传感器调节器进行调理。LabVIEW 程序通过模拟设备调节压力，以适当速率将压缩空气泵入系统。该系统可模拟与主动脉瓣相关的动态跨瓣压力水平；通过锯齿波实现压力的缓慢上升，典型地再现了舒张期跨瓣压力梯度的变化特征，随后出现急剧的压力下降，以模拟收缩期瓣膜的开启。LabVIEW 程序允许用户控制循环压力的幅度和频率。该系统能够对组织样品施加生理和病理条件下的压力刺激。该装置可用于加深我们对心脏瓣膜如何响应局部力学环境变化的理解。

方案

1. 组织收获与制备

1. 应在成年猪死亡后立即获取主动脉瓣，猪的体重不应超过120磅。
2. 用无菌磷酸盐缓冲液（PBS）清洗瓣膜两次，并在冰上运输至实验室。
3. 所有后续操作均应在无菌条件下进行。
4. 确保瓣叶无任何退变、撕裂或钙化迹象。从瓣环起沿距离的1/3处剪切，将瓣叶从主动脉根部分离。
5. 将瓣叶分别放入六孔板的各个孔中，加入3 ml杜氏改良伊格尔培养基（DMEM），培养基中添加1%抗生素/抗真菌溶液和10%胎牛血清，于37°C、5% CO₂条件下过夜培养。
6. 作为替代方案，可将分离的细胞接种至六孔培养板中，并用于压力装置。瓣膜内皮细胞和间质细胞的分离可参照先前所述方法进行^{13, 14}。

2. 压力研究

1. 已设计一种定制的压力系统，用于研究循环压力对主动脉瓣组织的力学生物学效应¹⁵。
2. 登录计算机并打开 labVIEW 程序（图1）。
3. 校准：
   1. 实验前应正确校准系统。
   2. 将电源连接至电路板，以为控制空气进出腔室的电磁阀供电。
   3. 确保压缩空气已连接至系统，并将气源完全打开。
   4. 打开信号放大器，确保电压读数为 0.00，必要时进行调整。
   5. labVIEW 界面上有一个标有“TEST/RECORD”的开关，确保其处于“TEST”位置。点击标有“Air Supply”的按钮，以打开进气电磁阀。
   6. 使用气体压力调节器，将压缩空气以 1 PSI 的压力对腔室加压。腔室内的压力可通过位于腔室后端板上的数字压力表读取。待压力平衡后，记录信号放大器的电压读数。重复此步骤，分别在 2、3、4 和 5 PSI 下进行。
   7. 绘制压力与电压的校准曲线。压力单位应从 PSI 转换为 mmHg。所得曲线方程可输入至 labVIEW 程序代码中。
4. 拆下压力腔室的铝制前板，并用 70% 乙醇喷洒腔室内部，静置至少 10 分钟，使残留乙醇蒸气充分挥发。
5. 将含有瓣叶样本的六孔板放入腔室内，重新安装前端板。手动拧紧位于端板四个角的四根螺纹杆上的螺母，确保密封严密。将压力腔室放入 37°C 培养箱中。图 2 显示了压力腔室的示意图。
6. 界面将提示用户设置系统在压缩空气输入与输出之间循环的时间。为模拟舒张期和收缩期条件，应分别将时间设置为 0.6 秒和 0.4 秒，频率为 1 Hz。用户还应输入数据文件保存路径。
7. 在 labVIEW 中点击“运行”，并将“TEST/RECORD”开关切换至“RECORD”位置。
8. 通过 labVIEW 界面上的图表确认压力已达到预期水平。可通过气体压力调节器调节压力。
9. 按所需时长运行程序。
10. 实验完成后，点击 labVIEW 上的停止按钮，关闭气源，并打开压力腔室的排气阀。
11. 从腔室中拆下前端板，取出含有样本的六孔板。样本现可用于基因表达、蛋白表达、组织学、力学性能等分析。

3. 代表性结果：

该压力系统能够模拟在正常血压、I期和II期高血压条件下观察到的最大跨瓣压力。然而，该系统无法模拟体内的收缩期压力梯度，后者在体内基本为零。频率保持在1 Hz，进气时间为0.6秒，排气时间为0.4秒。系统获得的正常和升高压力条件下的代表性压力波形如图3所示。

图1： LabVIEW 界面的屏幕截图。

图2： 压力室示意图 A. 压力室的等轴测视图； B. 压力室的侧视图； C. 压力室的俯视图。

图3： 压力室内部压力模拟图，分别对应（A）正常血压、（B）I期高血压和（C）II期高血压条件。

讨论

该压力系统成功地使主动脉瓣瓣叶暴露于能够代表舒张期跨瓣压力的周期性压力下。然而，该系统无法模拟收缩期跨瓣压力，因为压力仅下降至40 mmHg。跨瓣压力是指升主动脉与左心室之间的压力差。在舒张期，当瓣膜关闭时，正常血压条件下的压力差为80 mmHg，I期和II期高血压条件下分别为90 mmHg和100 mmHg。在收缩期，当瓣膜开放时，左心室与升主动脉之间的压力差为零。主动脉瓣疾病中发生的细胞变化被认为与较高的舒张期压力相关；因此，压力未能降至零可能并非主要问题。这一判断基于如下假设：驱动生物学反应的是压力的大小，而非压力的振幅。根据对20个压力周期的数据分析，压力从100 mmHg降至0 mmHg所需时间为1.20 ± 0.04秒。由于主动脉瓣关闭的时间约占心动周期的2/3，因此为在生理条件下实现瓣膜开闭的相同平衡，空气进入压力腔室的时间需达2.4秒。因此，若要同时研究收缩期和舒张期跨瓣压力水平对主动脉瓣力学生物学的影响，应采用0.28 Hz的频率。然而，若需在1 Hz的生理频率下同时模拟收缩期和舒张期跨瓣压力，则可在排气电磁阀上加装真空泵和储气罐。可设定真空泵以移除固定量的压力，当排气阀开启时，系统将把为完全降低设定压力水平所需量的空...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
DMEM	Sigma-Aldrich	D5671
Dulbecco’s PBS	Sigma-Aldrich	D5652
抗真菌/抗生素溶液	Sigma-Aldrich	A5955
胎牛血清	Thermo Fisher Scientific, Inc.	SH30070
氟橡胶隔膜电磁阀	McMaster-Carr	4868K11
压力传感器	Omega Engineering, Inc.	PX302-200GV
载荷传感器调节器	Encore Electronics, Inc.	4025-101
数据采集（DAQ）模块	Measurement Computing	PMD1608