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Este estudo mostrou que o modelo de loop hemodinâmico in vitro apresentado oferece um método confiável para testar a compatibilidade sanguínea in vitro de dispositivos médicos de acordo com o padrão ISO 10993-4.
As etapas críticas do protocolo incluem o extração de sangue e o preenchimento dos tubos com sangue, onde o vácuo excessivo ou agitação devem ser evitados para evitar que os componentes sanguíneos sejam ativados pelo procedimento de manuseio. Além disso, é muito importante congelar imediatamente as amostras de plasma e mantê-las no gelo após o descongelamento, pois a ativação do sistema de complementação e coagulação pode ser adulterada mantendo as amostras em temperatura ambiente por mais tempo.
Uma vez que este modelo tem méritos e deméritos quando comparados a outros modelos in vitro, vários fatores devem ser levados em conta ao projetar os experimentos.
Primeiro, os loops podem ser variados em comprimento e diâmetro para caber várias configurações experimentais. Caso a configuração inclua tubos contrastantes de diâmetros internos variados, deve-se ter em mente que as diferenças de diâmetro resultarão em diferentes forças de corte, afetando assim a coagulação e a cascata complementar7. Em segundo lugar, a velocidade de rotação foi definida para 30 rpm neste experimento. Isso resultará em um fluxo sanguíneo de aproximadamente 25 cm/s, o que é comparável à velocidade de fluxo sanguíneo nos enxertos de bypass da artéria coronária humana25. A taxa de tensão, gerada pela rotação dos loops, é o principal parâmetro que iniciará cascatas bioquímicas de componentes sanguíneos, incluindo células e proteínas livres de células. Mas como o sangue é um fluido não newtoniano, a taxa de tensão também será influenciada pela curvatura do tubo, respectivamente o comprimento dos tubos que estão fechados para loops10. Sempre que a velocidade de rotação ou o tamanho do loop é alterado, é importante considerar que a correlação entre a taxa de tensão e a velocidade de rotação não é linear. A correlação entre a velocidade de rotação e a taxa de tensão não é suficientemente examinada até hoje e estudos adicionais são necessários para investigar esses parâmetros específicos10,26,27. No entanto, com base em um modelo para a camada de limite laminar, o diâmetro dado do tubo de 5 mm e a velocidade de rotação de 25 cm/s, uma estimativa aproximada do estresse da tesoura da parede (W SSS) indicaria valores entre 2,20-22,00 pascal para uma distância de 1,00-0,01 mm à parede do tubo quando a densidade sanguínea é estimada em 1060 kg*m-3 e a viscosidade cinética é definida para 0,0025 pascal*s28,29. Curiosamente, também uma análise computacional mais detalhada da dinâmica do fluxo na curvatura das artérias coronárias humanas mostrou valores WSS variando de 11,33 a 16,77 pascal em parâmetros aproximadamente comparáveis para a velocidade, densidade e viscosidade do sangue30.
Além dessa limitação, o modelo de loop apresentado é um sistema sem pressão, que não imita as relações intravasculares de pressão arterial do sistema vascular humano.
A próxima limitação importante é que o sangue está em contato com o ar dentro dos laços, o que traz interferências adicionais. Tal contato sangue-ar é impactado por dois parâmetros, que inclui a permeabilidade gasosa dos tubos e a retenção de ar dentro dos laços enquanto os enche com sangue. Cada material do tubo possui uma certa permeabilidade de gás que pode levar a mudanças significativas nas concentrações de gás dentro dos tubos. Embora alguns autores adquiram que o efeito resultante da permeabilidade do gás na ativação de componentes sanguíneos permanece incerto31, sabe-se que a função dos coaguladores sanguíneos é altamente sensível a uma mudança de pH, que pode ser causada pela difusão de CO2 32,33,34. Aqui, testamos a biocompatibilidade dos tubos de perfusão sanguínea sob condições de ar interior, comparáveis aos cenários clínicos de perfusão sanguínea extracorpórea. Para melhorias futuras do modelo apresentado, a incubação de todo o modelo em uma incubadora de CO2 e a realização da validação do pH sanguíneo antes e depois da incubação podem ser úteis para padronizar ainda mais esse modelo.
Além disso, a interface sangue-ar dentro dos laços pode levar à ativação de proteínas plasmáticas e frações celulares do sangue35,36. Os dispositivos acionados pela bomba de rolo sem ar dentro dos tubos podem evitar a questão da interface sangue-ar, mas certamente induzem danos às células sanguíneas com níveis elevados significativos de hemoglobina em comparação com o modelo de loop aqui apresentado, e a hemoglobina no plasma pode interferir com a sensibilidade de analitos testados em ELISA16. Neste estudo, mostramos que o efeito hemolítico do modelo de loop em si permanece mínimo ao usar materiais biocompatíveis, como tubos de PVC revestidos de heparina. Assim, o modelo é, por um lado, não causar danos celulares excessivos em comparação com modelos acionados pela bomba, mas, por outro lado, induzir proteínas plasmáticas devido ao contato com o ar no sangue. Note-se que van Oeveren et al. desenvolveram um modelo de loop baseado em válvula de esfera evitando o ar dentro dos loops16. Esta alternativa promissora ao modelo de loop aqui apresentado pode superar o problema da interface sangue-ar, no entanto, em comparação com o modelo apresentado aqui, a adesão plaqueta ainda é maior para o modelo de loop baseado em válvula de esfera.
Em relação ao controle estático, nota-se que o vidro em si tem se mostrado um potente ativador do sistema coagulatório37. No entanto, na configuração apresentada, a incubação em um copo de vidro (controle estático) não levou à ativação excessiva da célula hospedeira ou ativação do sistema coagulatório em comparação com os níveis de linha de base logo após o desenho do sangue. Em conclusão, pode ser útil usar, por exemplo, tubos de polipropileno, se o controle estático mostrar altos níveis de ativação.
Independentemente de ser um modelo baseado em loop ou de bomba, esses modelos in vitro não possuem completamente as interações biológicas autênticas que são principalmente contribuídas por um endotélio intacto, que é uma superfície ideal de contato sanguíneo. A lógica por trás dessa questão é mais evidente quando um dispositivo médico como um stent está sendo testado, o que pode dar diferentes resultados, em termos de ativação e proteínas plasmáticas, durante sua interação com componentes sanguíneos na presença de endotélio. Isso declara ser uma grande desvantagem de todos os sistemas in vitro discutidos imitando o sistema circulatório. Assim, para superar essa questão, novos sistemas microfluidos que estão completamente cobertos com endotélio estão ganhando imenso interesse, mas, no entanto, em comparação com o modelo de loop apresentado aqui, eles ainda estão limitados a acomodar volumes sanguíneos menores e taxas mínimas de fluxo38,39
Assim, concluímos que o modelo Chandler Loop continua sendo um modelo robusto para a realização de testes padronizados sobre a biocompatibilidade sanguínea de dispositivos médicos vasculares no campo da pesquisa cardiovascular.