Progettazione di un bioreattore per la pressione ciclica Ex Vivo Studio delle valvole cardiache aortica
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.
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
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…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
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 of the reagent | Company | Catalogue number | Comments (optional) |
|---|---|---|---|
| DMEM | Sigma | D5671 | |
| Dulbecco’s PBS | Sigma | D5652 | |
| Anti-mycotic/antibiotic solution | Sigma | A5955 | |
| Fetal Bovine Serum | ThermoScientific | 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
- Freeman, R. V., Otto, C. M. Spectrum of calcific aortic valve disease: pathogenesis, disease progression, and treatment strategies. Circulation. 111, 3316-3326 (2005).
- 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).
- 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).
- 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).
- Cawley, P. J., Otto, C. M. Prevention of calcific aortic valve stenosis – fact or fiction. Annals of Medicine. 41, 100-108 (2009).
- 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).
- 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).
- 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).
- Syedain, Z. H., Tranquillo, R. T. Controlled cyclic stretch bioreactor for tissue-engineered heart valves. Biomaterials. 30, 4078-4084 (2009).
- 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).
- Wartella, K. A., Wayne, J. S. Bioreactor for biaxial mechanical stimulation to tissue engineered constructs. J Biomech Eng. 131, 044501-044501 (2009).
- 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).
- 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).
- 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).
- Schipke, K. J. . Design of a cyclic pressure bioreactor for the ex vivo study of aortic heart valve mechanobiology. , (2008).
- 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).
- 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).
- Brathwaite, D., Weissman, C. The new onset of atrial arrhythmias following major noncardiothoracic surgery is associated with increased mortality. Chest. 114, 462-468 (1998).
- 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).
- Walsh, S. R., Tang, T., Gaunt, M. E., Schneider, H. J. New arrhythmias after non-cardiothoracic surgery. BMJ. 7, 333-333 (2006).
- 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).
