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研究人员使用纸基结构来模拟主动脉瓣的分层性质

本文是莱斯大学生物工程师研制的心脏病实验装置的核心。

他们使用的是纸基结构,模仿主动脉瓣的分层结构,主动脉瓣是一种坚韧、柔韧的组织,它能使血液仅向一个方向流过心脏。这些装置使工程师们能够详细研究钙化疾病是如何减缓或阻止心脏功能的。

布朗工程学院团队的研究,在ACTA生物材料中详细说明,表明胶原蛋白1,一种天然蛋白质和瓣膜纤维细胞外基质的组成部分,似乎与钙化有很强的联系,当它被发现在其通常的领域之外。钙质沉积物硬化的瓣膜弹性较低,失去了密封心脏腔的能力。

“当组织产生大量过量的1型胶原时,这被称为纤维化,”莱斯生物工程师简·格兰德·艾伦(JaneGrandeAllen)说,他是莱斯研究生和主要作者马德琳·梦露(MadelineMonroe)的研究负责人。纤维化可发生在许多类型的组织中,并伴随钙化性主动脉瓣疾病(CAVD)。这并不一定意味着胶原蛋白会导致CAVD,但它确实会导致我们培养的细胞中钙化相关表型。”

胶原通常停留在瓣膜的纤维膜层中,这是构成主动脉瓣的三个小叶中的每一个小叶中三个小叶中的一个。(其他层是海绵层和心室肌层。)研究人员准备了纸层来支持嵌入胶原或透明质酸中的心脏瓣膜细胞,并发现当胶原1蛋白多层存在时,细胞的行为方式最终会导致矿化病变。

格兰德艾伦说,健康主动脉瓣中的细胞外基质层是明确的。”她说:“在更病理的状态下,胶原蛋白并不是局部的。”它散开了。我们的模型表明,非局部胶原可能导致这些钙化因子的细胞过度表达。”

水稻研究人员想知道这是如何发生的。他们需要一种方法来观察瓣膜细胞对胶原在三维组织中扩散的反应,而普通的滤纸被证明是一种合适的替代品。他们所做的看起来不像心脏瓣膜,但实际上就像一个显示细胞如何通过瓣膜层增殖的瓣膜。

GrandeAllen说,心脏瓣膜病还不能用药丸治疗,她在大部分职业生涯中都在研究瓣膜病,并在2015年在纸上进行了报道。目前的治疗方法通常包括用人体或动物的供体组织或机械瓣膜替换瓣膜。但是能够精确地模拟和操纵瓣膜的所有层,有助于破译心脏病的化学反应。她说这可能最终导致无创药物治疗。

相关的Storiespenn州立研究人员授予NSF在心脏联合治疗中对模型细胞紊乱的资助,以降低心脏病患者心血管事件的风险。计算机模拟可指导持续性房颤患者的精确治疗。第一步是发展格兰德·艾伦说:“这是一种模拟瓣膜中细胞行为的细胞。”下一步将是看到它们实际上钙化了。一旦掌握了这一点,我们就可以开始测试阻止钙化过程的化学物质。”

Monroe与Rebecca Nikonowicz合著,也是莱斯大学的本科生,在校友Matthew Sapp的早期帮助下,从哈佛大学用来研究肺癌细胞缺氧的滤纸培养物中的凝胶细胞中获得了灵感。

莱斯实验室从3D打印带孔的聚合物支架开始。这些滤纸是用蜡模浸渍的纸层,以消除滤纸开放圆之间的串扰。然后,将纤维状胶原蛋白1、透明质酸(通常在海绵层中发现)和数百万活的心脏细胞的各种组合浸透,并将薄片压在支架内。

门罗说:“这个建模系统使我们能够完全控制许多不同的变量。”我们能够根据在每一层中放置的组件创建具有不同组成的不同堆栈。我们有一堆所有层都是透明质酸,或所有胶原,或是具有两种层的异质层。

她说:“这让我们看到,当胶原蛋白层数量增加时,细胞的行为是否有所不同。”

门罗通过分析他们表达的蛋白质标记物,特别是α-平滑肌肌动蛋白(asma),一种与Runt相关的转录因子-2(runx2)和SRY盒9(sox9)来评估细胞随时间的行为,所有这些都是CAVD的指标。利用一种高通量染色和扫描方法,利用多组井,她可以快速地从数十个结构中收集数据。

这些数据让他们看到,主要且通常稳定的主动脉瓣细胞类型的瓣膜间质细胞,在含有更多胶原蛋白层的情况下,更容易发生成骨硬化。

格兰德·艾伦说:“纸模型非常巧妙,能够让我们拥有这样的多功能性和灵活性。”我不知道还有哪种方法能如此容易地让我们将不同的层放在一起,将这些组合培养在一起,然后将它们分开,如此快速地分析它们。”

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