Wykazano, że naprężenie ścinające płynu moduluje programy genów śródbłonka 1-5 poprzez aktywację elementów cis-regulatorowych6, aktywność acetylotransferazy histonowej7 i elementów odpowiedzi na stres ścinający (SSRE)8. Naprężenie ścinające wpływa na wkład śródbłonka w krzepnięcie poprzez modulację ekspresji czynnikatkankowego 9 i tkankowego aktywatora plazminogenu (tPA)10. Naprężenie ścinające wpływa również na kontrolę angiogenezy11 i przebudowę naczyń poprzez regulację syntezy i reakcji PDGF-B8. Śródbłonkowe mediatory wazoaktywne adrenomedullina, endotelina-1, urotensyna II i relaksyna są również regulowane przez ścinanie12. Transkrypcja śródbłonkowej produkcji syntazy tlenku azotu i produkcji tlenku azotu jest zależna od ścinania10. Ścinanie kontroluje również śródbłonkową ekspresję ICAM-113. Naprężenie ścinające wywołane przepływem może zatem silnie wpływać na dużą różnorodność reakcji śródbłonka. Co ważne, pulsacje naczyń krwionośnych wydają się obecnie odgrywać ważną rolę w patofizjologii zarówno prawidłowego starzenia się naczyń, jak i form otępienia naczyniowego14, a nawet mogą przyczyniać się do innych chorób neurodegeneracyjnych, takich jak stwardnienie rozsiane15.
Komórki śródbłonka żylnego i tętniczego są z natury narażone na różnorodne wzorce przepływu hemodynamicznego in vivo, a wiele różnych fenotypów komórek śródbłonka może być wykazywanych16. W zależności od wielkości i okresowości przepływu, wpływ na komórki śródbłonka może obejmować aktywację komórek zapalnych i apoptozę, co może odzwierciedlać zmiany w ekspresji genów lub białek17,18. Badania nad reakcjami komórek śródbłonka na zjawisko ścinania pozostają zatem skomplikowane ze względu na trudności w tworzeniu modeli in vitro, które odpowiednio wytwarzają takie wzorce ścinania.
Wiele różnych eksperymentalnych protokołów zostało opracowanych w celu zastosowania naprężeń ścinających płynu do monowarstw komórek śródbłonka. Jednym z najczęściej stosowanych systemów jest równoległa płytowa komora przepływowa, która tworzy równomierny przepływ laminarny w komorze19-21. Pompa perystaltyczna jest zwykle podłączona w celu wytworzenia przepływu okresowego, który może podsumować charakterystykę przepływu zwykle występującą w wielu miejscach in vivo22. Inna popularna konfiguracja wykorzystuje model "stożka i płyty", w którym naprężenie ścinające płynu jest określane przez prędkość obrotową stożka23. Zarówno systemy, jak i inne podobne do nich układy, mogą być żmudne w konfiguracji i wymagać komponentów, które mogą być stosunkowo drogie i niedostępne dla wielu laboratoriów.
Innym poważnym ograniczeniem tych obecnych modeli jest stosunkowo mała liczba powtórzonych badań, które mogą być wykonywane jednocześnie, każde o stosunkowo małej powierzchni. Zwiększa to czas i złożoność takich podejść. Dlatego idealnym modelem, który indukuje jednokierunkowe i okresowe ścinanie, może być taki, w którym można łatwo skonfigurować dużą liczbę powtórzeń badań, z których każdy ma stosunkowo dużą powierzchnię. Ponadto wyżej wymienione modele wymagają dość wyrafinowanej konfiguracji, co dla wielu użytkowników może być zbyt kosztowne. Model, który może powodować zakłócenia ścinania płynów przy użyciu podstawowych materiałów laboratoryjnych, może mieć kilka zalet.
Prosta i bardzo ekonomiczna metoda stosowania jednokierunkowego, okresowego naprężenia ścinającego polega na umieszczeniu okrągłych czaszek na wytrząsarce orbitalnej24. Protokół ten jest bardzo prosty i w razie potrzeby można go skalować w celu uzyskania dużej liczby powtórzeń badań, z których każdy ma stosunkowo dużą powierzchnię. Jednak komórki znajdujące się w środku naczynia są wystawione na inne wzorce przepływu niż komórki wzdłuż obwodu, powodując mieszane komórkowe odpowiedzi fenotypowe w tym samym naczyniu.
W tym bieżącym raporcie opisujemy budowę i zastosowanie 'pierścieni ścinających', naszego modelu do tworzenia jednokierunkowych i okresowych naprężeń ścinających. Konstrukcja pierścienia ścinanego skutecznie ogranicza "mieszane" fenotypy wywołane ścinaniem komórkowym poprzez ograniczenie ścieżki przepływu w okrągłej naczyniu hodowlanej do peryferii poprzez umieszczenie pierścienia wewnętrznego. Konstrukcja i działanie pierścienia ścinającego jest proste i ekonomiczne i można je łatwo skalować, aby pomieścić szeroką gamę wytrząsarek orbitalnych przy użyciu powszechnie dostępnych materiałów do hodowli tkankowych. Model ten można zastosować w eksperymentach z komórkami śródbłonka w celu zapewnienia jednokierunkowych i okresowych wzorców przepływu na poziomie fizjologicznym i patofizjologicznym.