Модели in vitro для кальцификации
in vitro Модели кальцификации могут относиться к системам, которые были разработаны для наилучшего воспроизведения процесса кальцификации, которому подвергаются ткани или биоматериалы внутри организма. Цель этих систем — имитировать высокие уровни кальция и фосфатов, присутствующих в крови, и измерить степень отложения кристаллов. Различные варианты могут включать другие параметры для повышения достоверности этих моделей, такие как расход, давление, податливость и сопротивление. Все системы имеют различные ограничения, которые необходимо учитывать в отношении условий эксплуатации и степени представительности. Рациональность такого использования заключается в частичной замене испытаний на животных in vivo , обеспечивая при этом гораздо более контролируемые и независимые параметры по сравнению с моделью на животных.
Основное применение этих моделей — изучение потенциала кальцификации протезов , находящихся в непосредственном контакте с кровью. В этой категории мы находим такие примеры, как протезы тканей животных ( ксеногенные биопротезы). Ксеногенные сердечные клапаны имеют особое значение для этой области исследований, поскольку они демонстрируют ограниченную долговечность, главным образом из-за усталости тканей и кальцинированных отложений (см. Замена аортального клапана ).
Описание
[ редактировать ]Модели кальцификации in vitro использовались при разработке медицинских имплантатов для оценки потенциала кальцификации медицинского устройства или ткани. Их можно считать подсемейством биореакторов , которые использовались в области тканевой инженерии для культуры и роста тканей . Эти биореакторы кальцификации предназначены для имитации и поддержания механо-химической среды, с которой ткань сталкивается in vivo, с целью создания патологической среды, которая будет способствовать отложению кальция . Параметры, включая поток среды , pH , температуру и перенасыщение кальцифицирующего раствора, используемого в биореакторе, поддерживаются и тщательно контролируются. Мониторинг этих параметров позволяет получить информацию о потенциале кальцификации медицинского изделия или ткани. Модели кальцификации in vitro можно разделить на категории в зависимости от уровня представления физиологических условий: статическая культура, постоянное перенасыщение и динамические модели.
Модели
[ редактировать ]Статическая культура
[ редактировать ]Простейшей in vitro моделью кальцификации является метод статической культуры. В этом методе используются среды для культивирования клеток, обогащенные различными ионами, содержащимися в плазме крови , такими как кальций и фосфат, для оказания эффекта кальцификации клеток. [ 1 ] Эта модель, имитирующая физиологическую температуру и pH, использовалась для изучения живых тканей. Однако основным недостатком является отсутствие регулирования уровней кальция и фосфатов в организме человека (см. «Метаболизм», «Минералы и кофакторы» ).
Биореактор постоянного пересыщения
[ редактировать ]
«Метод постоянного пересыщения», также известный как «постоянный состав», [ 3 ] основан на потреблении и последовательном замещении ионов, которые откладываются с образованием апатитовых структур на исследуемой ткани. Стратегия этой модели состоит в том, чтобы воспроизвести химическую среду, присутствующую в организме, с помощью растворов с высоким содержанием кальция и фосфатов. Модель включает в себя сосуд биореактора, механизм управления и набор бюреток , которые заменяют ионы, осаждающиеся в процессе кальцинирования. Кинетику реакции контролируют путем измерения pH, который пропорционален депротонированию кислого фосфата посредством гидролиза . [ 4 ]
Изменение pH приводит к добавлению в систему титрантов , которые заменяют количество кальция и фосфата, отложившихся в ткани, и в то же время поддерживают постоянную ионную силу раствора, обычно поддерживаемую близкой к физиологическому уровню 0,15 М. Объем титрантов, добавляемых для поддержания рН, пропорционален количеству центров кристаллизации и степени пересыщения раствора. Скорость добавления титранта будет определять массовое осаждение кристаллов на ткани.
Эта модель не обеспечивает поток или механические раздражители тканей. Как поток, так и механические раздражители влияют на ход и места отложения кальция. [ 5 ] [ 6 ]
Динамические модели кальцификации
[ редактировать ]
В моделях динамической кальцификации используется имитация циркуляции, чтобы обеспечить химические условия для кальцификации, в то же время подвергая конструкцию механической стимуляции. Эта стимуляция пытается имитировать механическую среду, встречающуюся in vivo. Эти модели могут сочетать принцип постоянного перенасыщения с пульсирующим потоком, характерным для сердечно-сосудистой системы человека. Раствор для кальцификации, используемый в таких моделях, аналогичен раствору, используемому в реакторе постоянного пересыщения.
Концепция моделей динамической кальцификации была впервые введена после того, как стало понятно, что механические напряжения влияют на кальцификацию тканей, особенно в случае сердечных клапанов. Системы динамической кальцификации направлены на воссоздание стрессов и напряжений, которые ткани испытывают in vivo , и объединение их со средой, которая усиливает кальцификацию.
Эти системы включают в себя расходомеры, датчики давления и датчики температуры для тщательного мониторинга моделируемых условий. В этих моделях кинетика кальцификации остается такой же, как и в случае статичных систем, но введение механической стимуляции может повлиять на места и степень осаждения. [ 6 ]
Динамические модели могут различаться по способам обеспечения потока в системе, а также по скорости динамического воздействия. Ускоренные частоты используются с целью имитации более длительных эквивалентных продолжительностей in vivo . Ускоренные модели могут обеспечить долгосрочный прогноз кальцификации, но при этом следует учитывать, что механические напряжения и напряжения потока могут быть экстрафизиологическими. [ 9 ]
Ограничения
[ редактировать ]Золотым стандартом экспериментов по кальцификации является модель in vivo . Однако это морально спорно и сложно контролировать и контролировать оцениваемые параметры. Кроме того, стоимость опыта in vivo намного выше, чем стоимость моделей in vitro .
Некоторые модели могут моделировать ситуацию in vivo с определенной степенью репрезентации. Статические культуры могут оказаться большим подспорьем для изучения живых тканей, но они не подходят для поддержания постоянного уровня кальция и фосфата, как в организме человека. Системы постоянного пересыщения удовлетворяют этому требованию, но не подходят для живых тканей. Наконец, динамические модели добавляют механическую стимуляцию, которой нет в других моделях. Динамические модели могут применять физиологическую или экстрафизиологическую стимуляцию к тестируемому устройству или ткани (в случае ускоренных систем), но они имеют те же недостатки, что и биореакторы с постоянным пересыщением.
| В естественных условиях | В пробирке | |||
|---|---|---|---|---|
| Статические культуры | Системы постоянного пересыщения | Динамические системы | Ускоренные системы | |
| Преимущества | ||||
| Точность и отсутствие воздействия на окружающую среду | Легко достичь | Простота управления и получения данных | То же, что КСО [ а ] | То же, что КСО |
| Включите иммунологический и клеточный компонент ответа, а также механизмы минерального метаболизма, которые участвуют в процессе кальцификации. | Легко воспроизводимые условия | Кратковременные эксперименты | ||
| Краткосрочные эксперименты | Независимые и контролируемые параметры | Сокращает время экспериментов | ||
| Бюджетный | Воспроизводит механику кровотока. | |||
| Может изучать механизм живых клеток | Легко воспроизвести | Воспроизводит усталость тканей | ||
| Они наиболее близки к человеческой модели, которую можно достичь. | ||||
| Недостатки | ||||
| Дорогой | Невозможно поддерживать постоянный уровень фосфата кальция. | Не воспроизводит механику кровотока | То же, что КСО | То же, что КСО |
| Морально спорный | Супрафизиологические условия могут влиять на структуру ткани или материала нерепрезентативным образом. | |||
| Отсутствие мониторинга в реальном времени. | Не отражает уровень минералов и механические параметры, присутствующие in vivo. | Неправильно отражает клеточный или иммунологический ответ. | ||
| Кальцификация занимает длительный период времени | ||||
Примечания
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Вада, Такео; Макки, Марк Д.; Стейтц, Сьюзи; Джачелли, Сесилия М. (5 февраля 1999 г.). «Ингибирование кальцификации культур гладкомышечных клеток сосудов остеопонтином» . Исследование кровообращения . 84 (2): 166–178. дои : 10.1161/01.RES.84.2.166 . ISSN 0009-7330 . ПМИД 9933248 .
- ^ «Европейская докторская академия TECAS ITN в области регенеративной инженерии» .
- ^ Капос, Дж.; Маврилас, Д.; Миссирлис, Ю.; Куцукос, П.Г. (1 сентября 1997 г.). «Модельная экспериментальная система для исследования кальциноза клапанов сердца in vitro». Журнал исследований биомедицинских материалов . 38 (3): 183–190. doi : 10.1002/(sici)1097-4636(199723)38:3<183::aid-jbm1>3.0.co;2-l . ISSN 1097-4636 . ПМИД 9283962 .
- ^ Ван, Лицзюнь; Нанколлас, Джордж Х. (25 сентября 2008 г.). «Ортофосфаты кальция: кристаллизация и растворение» . Химические обзоры . 108 (11): 4628–4669. дои : 10.1021/cr0782574 . ПМЦ 2743557 . ПМИД 18816145 .
- ^ Лим, WL; Чу, Ю.Т.; Чу, TC; Лоу, HT (01 ноября 2001 г.). «Исследования пульсационного потока биопротеза аортального клапана свиньи in vitro: измерения PIV и повреждение крови, вызванное сдвигом». Журнал биомеханики . 34 (11): 1417–1427. дои : 10.1016/s0021-9290(01)00132-4 . ISSN 0021-9290 . ПМИД 11672716 .
- ^ Jump up to: а б Дейвик, Майкл; Гласмахер, Биргит; Баба, Хидео А; Редер, Норберт; Реул, Хельмут; Балли, Герт фон; Шельд, Ганс Х (1998). «Испытание биопротезов in vitro: влияние механических напряжений и липидов на кальцификацию». Анналы торакальной хирургии . 66 (6): С206–С211. дои : 10.1016/s0003-4975(98)01125-4 . ПМИД 9930449 .
- ^ «AME, Институт Гельмгольца при RWTH Ахенском университете и больнице» .
- ^ Вестерхоф, Нико; Ланхаар, Ян-Виллем; Вестерхоф, Беренд Э. (10 июня 2008 г.). «Артериальная Виндкессель» . Медицинская и биологическая инженерия и вычислительная техника . 47 (2): 131–141. дои : 10.1007/s11517-008-0359-2 . ISSN 0140-0118 . ПМИД 18543011 .
- ^ Кригс, Мартин; Канеллопулу, Димитра; Куцукос, Петрос Г.; Маврилас, Димосфенис; Гласмахер, Биргит (01 ноября 2009 г.). «Разработка новой комбинированной испытательной установки для ускоренной динамической pH-контролируемой кальцификации клапанов сердца свиней in vitro». Международный журнал искусственных органов . 32 (11): 794–801. дои : 10.1177/039139880903201105 . ISSN 0391-3988 . ПМИД 20020411 . S2CID 24993461 .