Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Дизайн Циклические биореактора давление для Ex Vivo Изучение аортального клапанов сердца

15.8K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/3316

⸱

23 августа 2011 г.

 ,  , 
1Department of Agricultural and Biological Engineering, Mississippi State University

В этой статье

Краткое содержание

Циклических биореактора давление способен подчинять ткань сердечного клапана для физиологических и патологических состояний давления был разработан. Программа LabVIEW позволяет пользователям контролировать давление величины амплитуды и частоты. Это устройство может быть использовано для изучения mechanobiology сердечной ткани клапана или изолированные клетки.

Аннотация

Аортальный клапан, расположенный между левым желудочком и аортой, обеспечивает однонаправленный кровоток, предотвращая обратный ток крови в желудочек. Створки аортального клапана состоят из интерстициальных клеток, расположенных в экстрацеллюлярном матриксе (ECM), и выстланы монослоем эндотелиальных клеток. Клапан функционирует в суровых динамических условиях и постоянно подвергается воздействию сдвига, изгиба, растяжения и сжатия. Исследования показали, что кальцинированные поражения в больных клапанах возникают в областях высокого механического напряжения в результате повреждения эндотелия или интерстициального матрикса1-3. Следовательно, неудивительно, что эпидемиологические исследования выявили высокое артериальное давление как ведущий фактор риска развития заболевания аортального клапана4.

Единственным доступным на данный момент методом лечения клапанных заболеваний является хирургическая замена пораженного клапана биопротезом или механическим клапаном5. Более глубокое понимание биологии клапанов в ответ на физические нагрузки поможет прояснить механизмы патогенеза клапанных заболеваний. Это, в свою очередь, может способствовать разработке неинвазивных методов терапии, таких как фармакологическое вмешательство или профилактика. Ранее было разрабовано несколько биореакторов для изучения механобиологии нативных или искусственно созданных сердечных клапанов6-9. Пульсирующие биореакторы также разрабатывались для изучения различных тканей, включая хрящевую ткань10, костную ткань11 и ткани мочевого пузыря12. Целью данной работы была разработка системы циклического давления, которая могла бы быть использована для изучения биологического ответа створок аортального клапана на повышенные нагрузки по давлению.

Система состояла из акриловой камеры для размещения образцов и создания циклического давления, электромагнитных клапанов с витоновой диафрагмой для управления временем цикла давления и компьютера для управления электрическими устройствами. Контроль давления осуществлялся с помощью датчика давления, а обработка сигнала производилась с использованием кондиционера тензодатчика. Программа LabVIEW регулировала давление с помощью аналогового устройства для подачи сжатого воздуха в систему с соответствующей скоростью. Система имитировала динамические уровни трансвальвулярного давления, характерные для аортального клапана; пилообразная волна обеспечивала постепенное повышение давления, типичное для трансвальвулярного градиента давления, наблюдаемого на клапане во время диастолы, с последующим резким падением давления, имитирующим открытие клапана в систолу. Программа LabVIEW позволяла пользователям контролировать амплитуду и частоту циклического давления. Система позволяла подвергать образцы тканей воздействию физиологических и патологических условий давления. Данное устройство может быть использовано для углубления нашего понимания того, как сердечные клапаны реагируют на изменения в локальной механической среде.

Протокол

1. Урожай тканей и подготовка

  1. Аортального клапана должны быть собраны от взрослых свиней весом не более 120 фунтов сразу после смерти.
  2. Вымойте клапаны дважды стерильными фосфатным буферным раствором (PBS) и транспорт в лабораторию на льду.
  3. Все последующие шаги должны выполняться в стерильных условиях.
  4. Убедитесь, что листовки не показывают никаких признаков дегенерации, разрывая или кальцификации. Удалить листовки от корня аорты за счет сокращения 1 / 3 от расстояния от кольца.
  5. Место листовки в отдельных скважинах шесть хорошо пластины и инкубировать в течение ночи с 3 мл изменения Дульбеко Eagle среде, дополненной 1% anti-biotic/anti-mycotic решения и 10% эмбриональной телячьей сыворотки при 37 ° С и 5% СО 2.
  6. В качестве альтернативы, изолированные клетки могут быть посеяны на шесть-луночных культуры и используются в давлении устройства. Изоляция клапана эндотелиальные клетки и интерстициальные клетки могут быть выполнены, как описано выше 13, 14.

2. Давление исследований

  1. Заказные давление в системе был разработан для изучения mechanobiological эффекты циклических давление на ткани клапана аорты 15.
  2. Войдите на компьютер и открыть программу LabVIEW (рис. 1).
  3. Калибровка:
    1. До экспериментов, система должна быть правильно откалиброван.
    2. Подключение питания к плате. Это обеспечивает питание для электромагнитных клапанов, которые контролируют поток воздуха в и из камеры.
    3. Убедитесь в том, сжатый воздух, подключенных к системе и открытых подачи воздуха к полной скорости.
    4. Включите усилитель сигнала. Убедитесь, что напряжение чтение 0,00. Отрегулируйте при необходимости
    5. LabVIEW интерфейс переключатель, обозначенный "ТЕСТ / RECORD". Убедитесь, что переключатель установлен в положение "TEST". Нажмите кнопку "Подача воздуха", чтобы открыть впускной клапан соленоида.
    6. Использование регулятора давления газа, давление в камере с помощью сжатого воздуха на 1 PSI. Давление в камере можно читать с помощью цифровой манометр, расположенный на задней концевой пластинки из камеры. Как только давление уравновешенной, запись напряжения чтении из усилителя сигнала. Повторите эти действия для 2, 3, 4 и 5 PSI.
    7. Построить калибровочную кривую давления от напряжения. Давление должно быть преобразован из PSI в мм рт. Уравнение из графика могут быть помещены в код программы LabVIEW
  4. Удалить алюминиевая пластина фронт от барокамеры и брызг камера с 70% этанола. Оставьте на минимум 10 минут, чтобы дать остаточных паров этанола, чтобы рассеять.
  5. Место шестью лунками содержащего листовки образцов в камере и заменить переднюю панель конца. Обеспечить уплотнение герметичной, затянув гайки расположен на четыре резьбовых шпилек (расположенный на каждом углу в конце пластины) вручную. Место барокамере в 37 ° С инкубатор. Схема барокамере показано на рисунке 2.
  6. Интерфейс предложит пользователю предоставить количество времени система циклов между сжатого воздуха на входе и выходе. Они должны быть установлены в 0.6s и 0.4, чтобы имитировать диастолического и систолического условиях, соответственно, при частоте 1 Гц. Пользователь должен также ввести путь файла данных.
  7. В LabVIEW, выберите пункт Выполнить и переключиться "ТЕСТ / RECORD" переключения на "ЗАПИСЬ".
  8. Убедитесь, что давление на нужном уровне, используя график на интерфейс LabVIEW. Давление можно настроить с помощью регулятора давления газа.
  9. Запустить программу для достижения желаемого отрезка времени.
  10. Как только эксперимент завершен, нажмите кнопку остановки на LabVIEW, отключить подачу воздуха и открытой выпускной клапан на барокамеру.
  11. Снимите переднюю панель конца из камеры и получить шесть-луночного планшета с образцами. Образцы теперь могут быть проанализированы на экспрессию генов, экспрессия белка, гистология, механические свойства и т.д.

3. Представитель Результаты:

Давление в системе имитировать максимальная transvalvular давления наблюдается при нормотензивных, этапе я и II стадии гипертонической условиях. Тем не менее, давление не способны имитировать градиент систолического давления, которое практически равно нулю в естественных условиях. Частота поддерживается на уровне 1 Гц, с эфирного времени на входе 0.6s и выхлопных время 0.4. Представитель давление сигналов нормального и повышенного давления условия, полученные из системы можно увидеть на рисунке 3.

figure-protocol-1
Рисунок 1: Снимок интерфейса LabVIEW.

figure-protocol-2
Рисунок 2: Схематическое изображение барокамере А. Изометрические зрения барокамере, Б. Вид сбоку камеры давления;С. Вид сверху барокамере.

figure-protocol-3
Рисунок 3: График давление моделирования в барокамере при () с нормальным артериальным давлением, (B) I этап гипертонической и (С) II стадия гипертонической условиях.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Давление в системе успешно выставляются аортального клапана листовки циклическим давлением, которые были представитель диастолического transvalvular давления. Тем не менее, она не смогла, чтобы имитировать систолического transvalvular давления, как только давление упало до 40 мм рт. Transvalvular давление это разница между давлением в восходящей аорты и левого желудочка. Во время диастолы, когда клапан закрыт, перепад давления 80mmHg под нормотензивных условиях и 90 мм рт.ст. и 100mmHg в этапе я и II стадии гипертонии, ...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Нет конфликта интересов объявлены.

Благодарности

Авторы выражают благодарность Шад Schipke и Даниэль Чессер за их помощь в проектировании и изготовлении систем и Valtresa Майлс за помощь в подготовке рукописи.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Название реагента Компания Номер в каталоге Комментарии (необязательно)
DMEM Сигма D5671
Дульбеко PBS Сигма D5652
Anti-mycotic/antibiotic решение Сигма A5955
Эмбриональной телячьей сыворотки ThermoScientific SH30070
Витон мембранные клапаны соленоида McMaster Carr 4868K11
Датчик давления Omega Engineering, Inc PX302-200GV
Кондиционер тензодатчика Encore Electronics, Inc 4025-101
Сбор данных (DAQ) Модуль Измерение вычислительной PMD1608

Ссылки

  1. Freeman, R. V., Otto, C. M. Spectrum of calcific aortic valve disease: pathogenesis, disease progression, and treatment strategies. Circulation. 111, 3316-3326 (2005).
  2. Robicsek, F., Thubrikar, M. J., Fokin, A. A. Cause of degenerative disease of the trileaflet aortic valve: review of subject and presentation of a new theory. Ann Thorac Surg. 73, 1346-1354 (2002).
  3. Thubrikar, M. J., Aouad, J., Nolan, S. P. Patterns of calcific deposits in operatively excised stenotic or purely regurgitant aortic valves and their relation to mechanical stress. Am J Cardiol. 58, 304-308 (1986).
  4. Agno, F. S., Chinali, M., Bella, J. N., Liu, J. E., Arnett, D. K., Kitzman, D. W. Aortic valve sclerosis is associated with preclinical cardiovascular disease in hypertensive adults: the Hypertension Genetic Epidemiology Network study. J Hypertens. 23, 867-8673 (2005).
  5. Cawley, P. J., Otto, C. M. Prevention of calcific aortic valve stenosis - fact or fiction. Annals of Medicine. 41, 100-108 (2009).
  6. Durst, C. A., Grande-Allen, J. K. Design and physical characterization of a synchronous multivalve aortic valve culture system. Ann Biomed Eng. 38, 319-3125 (2010).
  7. Engelmayr, G. C., Soletti, L., Vigmostad, S. C., Budilarto, S. G., Federspiel, W. J., Chandran, K. B. A novel flex-stretch-flow bioreactor for the study of engineered heart valve tissue mechanobiology. Ann Biomed Eng. 36, 700-712 (2008).
  8. Sucosky, P., Padala, M., Elhammali, A., Balachandran, K., Jo, H., Yoganathan, A. P. Design of an ex vivo culture system to investigate the effects of shear stress on cardiovascular tissue. J Biomech Eng. 130, 035001-03 (2008).
  9. Syedain, Z. H., Tranquillo, R. T. Controlled cyclic stretch bioreactor for tissue-engineered heart valves. Biomaterials. 30, 4078-4084 (2009).
  10. Lagana, K., Moretti, M., Dubini, G., Raimondi, M. T. A new bioreactor for the controlled application of complex mechanical stimuli for cartilage tissue engineering. Proc Inst Mech Eng H. 222, 705-715 (2008).
  11. Wartella, K. A., Wayne, J. S. Bioreactor for biaxial mechanical stimulation to tissue engineered constructs. J Biomech Eng. 131, 044501-044501 (2009).
  12. Wallis, M. C., Yeger, H., Cartwright, L., Shou, Z., Radisic, M., Haig, J. Feasibility study of a novel urinary bladder bioreactor. Tissue Eng Part A. 14, 339-348 (2008).
  13. Butcher, J. T., Nerem, R. M. Valvular endothelial cells regulate the phenotype of interstitial cells in co-culture: effects of steady shear stress. Tissue Eng. 12, 905-915 (2006).
  14. Metzler, S. A., Pregonero, C. A., Butcher, J. T., Burgess, S. C., Warnock, J. N. Cyclic Strain Regulates Pro-Inflammatory Protein Expression in Porcine Aortic Valve Endothelial Cells. J Heart Valve Dis. 17, 571-578 (2008).
  15. Schipke, K. J. Design of a cyclic pressure bioreactor for the ex vivo study of aortic heart valve mechanobiology. , Mississippi State University. Mississippi State. (2008).
  16. Smith, K. E., Metzler, S. A., Warnock, J. N. Cyclic strain inhibits acute pro-inflammatory gene expression in aortic valve interstitial cells. Biomechanics and Modeling in Mechanobiology. , (2009).
  17. Warnock, J. N., Burgess, S. C., Shack, A., Yoganathan, A. P. Differential immediate-early gene responses to elevated pressure in porcine aortic valve interstitial cells. J Heart Valve Dis. 15, 34-41 (2006).
  18. Brathwaite, D., Weissman, C. The new onset of atrial arrhythmias following major noncardiothoracic surgery is associated with increased mortality. Chest. 114, 462-468 (1998).
  19. Walsh, S. R., Oates, J. E., Anderson, J. A., Blair, S. D., Makin, C. A., Walsh, C. J. Postoperative arrhythmias in colorectal surgical patients: incidence and clinical correlates. Colorectal Dis. 8, 212-216 (2006).
  20. Walsh, S. R., Tang, T., Gaunt, M. E., Schneider, H. J. New arrhythmias after non-cardiothoracic surgery. BMJ. 7, 333-333 (2006).
  21. Walsh, S. R., Tang, T., Wijewardena, C., Yarham, S. I., Boyle, J. R., Gaunt, M. E. Postoperative arrhythmias in general surgical patients. Ann R Coll Surg Engl. 89, 91-95 (2007).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

LabVIEW
Дизайн Циклические биореактора давление для Ex Vivo Изучение аортального клапанов сердца
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.