Papirspor fører til hjerteklap opdagelser

Papir er kernen i en eksperimentel enhed udviklet af Rice University bioingeniører til at studere hjertesygdomme.

De bruger papirbaserede strukturer, der efterligner den lagdelte natur af aortaklapper, den hårde, fleksible væv, der holder blodet til at strømme gennem hjertet i kun én retning. Enhederne giver ingeniørerne mulighed for at studere i detaljer, hvordan forkalkningssygdomme bremser eller stopper hjerter i at fungere.

Arbejdet fra Brown School of Engineering-teamet, detaljeret i Acta Biomaterialia , viser, at kollagen 1, et naturligt protein og en del af ventilernes fibrøse ekstracellulære matrix, ser ud til at have en stærk forbindelse med forkalkning, når den findes uden for sit sædvanlige domæne. Ventiler hærdet af calciumaflejringer er mindre fleksible og mister deres evne til at forsegle hjertets kamre.

"Når væv laver meget overskydende type 1 kollagen, det kaldes fibrose, " sagde Rice bioingeniør Jane Grande-Allen, der ledede undersøgelsen med Rice-kandidatstuderende og hovedforfatter Madeline Monroe."Fibrose kan forekomme i mange typer væv, og det ledsager calcific aortaklapsygdom (CAVD). Det betyder ikke nødvendigvis, at kollagen altid vil forårsage CAVD, men det drev bestemt den forkalkningsforbundne fænotype i de celler, vi dyrkede."

Kollagen forbliver generelt i ventilens fibrosalag, en af ​​tre i hver af de tre foldere, der udgør en aortaklap. (De andre lag er spongiosa og ventricularis.) Forskerne forberedte papirlag til at understøtte hjerteklapceller indlejret i enten kollagen eller hyaluronan, og opdagede, at når kollagen 1-proteiner er til stede i flere lag, cellerne opfører sig på en måde, der i sidste ende ville føre til mineraliserede læsioner.

Grande-Allen sagde, at lagene af ekstracellulær matrix i en sund aortaklap er veldefinerede. "I en mere patologisk tilstand, kollagenet er ikke lokaliseret, " sagde hun. "Det er spredt ud. Vores modeller tyder på, at ikke-lokaliseret kollagen kan bidrage til celleoverekspression af disse kalkfaktorer."

Ris-forskerne vil gerne vide, hvordan det sker. De havde brug for en måde at se, hvordan ventilceller ville reagere på kollagen, der spredes gennem et tredimensionelt væv, og almindeligt filterpapir viste sig at være en passende stand-in. Det, de lavede, ligner ikke en hjerteklap, men fungerer effektivt som en, der viser, hvordan celler formerer sig gennem en ventils lag.

Hjerteklapsygdom kan endnu ikke behandles med en pille, sagde Grande-Allen, som har studeret klapsygdomme i en stor del af sin karriere og rapporteret om papirbaserede kulturer i 2015. Nuværende midler involverer ofte udskiftning af klappen med menneske- eller dyredonorvæv eller en mekanisk klap. Men evnen til nøjagtigt at modellere og manipulere alle lagene i en ventil kunne hjælpe med at tyde de kemiske transaktioner i hjertesygdomme. Hun sagde, at det i sidste ende kan føre til ikke-invasiv medicin.

"Det første skridt har været at udvikle modeller, der efterligner den måde, cellerne i ventilerne opfører sig på, " sagde Grande-Allen. "Det næste skridt ville være at se dem faktisk forkalke. Når først det er i hånden, vi kan begynde at teste kemikalier, der ville blokere den forkalkningsproces."

Monroe, med medforfatter og Rice-studerende Rebecca Nikonowicz og tidlig hjælp fra alumnen Matthew Sapp, tog inspiration fra celler-i-geler-i-brønde filterpapirkulturer, der blev brugt på Harvard University til at studere hypoxi i lungekræftceller.

Rislaboratoriet startede med at 3D-printe polymerholdere med arrays af huller. Disse holdt på plads lag af papir, der var blevet imprægneret med et voksmønster for at eliminere krydstale mellem de åbne cirkler af filterpapir. Cirklerne blev derefter mættet med forskellige kombinationer af fibrøst kollagen 1, hyaluronan (findes normalt i spongiosa-laget) og millioner af levende hjerteceller, og arkene blev presset sammen i holderne.

"Dette modelleringssystem giver os fuldstændig kontrol over en masse forskellige variabler, " sagde Monroe. "Vi var i stand til at skabe forskellige stakke med forskellige sammensætninger baseret på hvilke komponenter, vi satte i hvert lag. Vi havde stakke, hvor alle lagene var hyaluronan, eller alt kollagen, eller heterogene stakke med begge slags lag.

"Det lod os se, om cellerne opførte sig anderledes, når der var en stigning i antallet af kollagenlag, " hun sagde.

Monroe vurderede cellernes adfærd over tid ved at analysere de proteinmarkører, de udtrykte, især alfa glat muskel actin (aSMA), en Runt-relateret transkriptionsfaktor-2 (RunX2) og SRY-boks 9 (Sox9), som alle er indikatorer for CAVD. Ved at bruge en high-throughput farvning og scanning metode med grupperne af brønde tillod hende hurtigt at indsamle data fra snesevis af strukturer.

Dataene lader dem se, at interstitielle klapceller, den primære og normalt stabile aortaklapcelletype, blev mere modtagelige for osteogenese - hærdning - i nærværelse af flere lag indeholdende kollagenprotein.

"Papirmodellen er genial til at give os den alsidighed og fleksibilitet, " sagde Grande-Allen. "Jeg kender ikke til en anden metode, der så let giver os mulighed for nemt at sammensætte forskellige lag, dyrke kombinationerne sammen og derefter skille dem ad og analysere dem så hurtigt."