Method Article
Different levels and patterns of fluid shear are known to modulate endothelial gene expression, phenotype and susceptibility to disease. We discuss the assembly and use of 'shear rings': a model that produces unidirectional, periodic shear stress patterns. Shear rings are simple to assemble, economical and can produce high cell yields.
الانحرافات عن المستويات الطبيعية وأنماط القص لعب أدوارا هامة السوائل الأوعية الدموية في علم وظائف الأعضاء الأوعية الدموية والفيزيولوجيا المرضية عن طريق إحداث التكيف فضلا عن التغيرات المرضية في النمط الظاهري البطانية والتعبير الجيني. على وجه الخصوص، يمكن أن آثار غير القادرة على التأقلم من الدوري، وتدفق في اتجاه وإجهاد القص الناجمة تؤدي مجموعة متنوعة من الآثار في العديد من أنواع الخلايا الأوعية الدموية، وخاصة الخلايا البطانية. بينما الآن كانت الخلايا البطانية من أصول التشريحية المختلفة مثقف، تحليلات متعمقة من تعرقلت ردودها على القص السوائل عن طريق تعقيد النسبي للنماذج القص (على سبيل المثال، وبالتوازي مع غرفة التدفق لوحة، والمخروط ونموذج التدفق لوحة). في حين أن هذه تمثل كلها أساليب ممتازة ومثل هذه النماذج معقدة من الناحية الفنية وتعاني من عيوب بما في ذلك وقت الإعداد طويلة ومعقدة نسبيا، والمناطق السطحية منخفضة، ومتطلبات المضخات والضغط تتطلب المواد المانعة للتسرب وحشيات في كثير من الأحيان، وخلق تحديات بوتصيانة ح من العقم وعدم القدرة على تشغيل تجارب متعددة. ومع ذلك، إذا كانت نماذج ارتفاع الناتج من تدفق والقص المتاحة، مزيد من التقدم على الردود القص بطانة الأوعية الدموية، والبحوث القص الدوري وخصوصا على المستوى الجزيئي، قد يكون أكثر تقدما سريعا. هنا، نحن تصف بناء واستخدام حلقات القص: رواية، بسيطة إلى التجمع، وغير مكلفة نموذج زراعة الأنسجة مع مساحة كبيرة نسبيا الذي يسمح بسهولة لعدد كبير من مكررات التجريبية في، القص الدوري الدراسات الضغط أحادي الاتجاه على الخلايا البطانية.
وقد تبين إجهاد القص السوائل لتعديل برامج الجين البطانية 1-5 من خلال تفعيل عناصر رابطة الدول المستقلة التنظيمية 6، هيستون النشاط أسيتيل 7 و عناصر الاستجابة للضغط النفسي القص (SSRE) 8. القص تأثيرات الإجهاد المساهمات البطانية نحو تجلط الدم عن طريق تحوير العامل النسيجي 9 و منشط البلازمينوجين النسيجي (TPA) 10 التعبير. يؤثر إجهاد القص أيضا السيطرة على الأوعية الدموية 11 وإعادة السفينة التي تنظم تخليق PDGF-B والاستجابة 8. البطانية مشتقة سطاء فعال في الأوعية adrenomedullin، endothelin-1، وينظم urotensin الثاني والريلاكسين أيضا القص 12. النسخ من البطانية النيتريك إنتاج أكسيد سينسيز وإنتاج أكسيد النيتريك على حد سواء القص يعتمد 10. كما تسيطر القص البطانية ICAM-1 التعبير 13. القص الإجهاد الناجم عن التدفق وبالتالي يمكن powerfuالتأثير LLY مجموعة كبيرة ومتنوعة من الاستجابات البطانية. الأهم من ذلك، نبضات الأوعية الدموية الآن تظهر أيضا أن تلعب أدوارا هامة في الفيزيولوجيا المرضية لكلا شيخوخة الأوعية الدموية الطبيعية وأشكال الخرف الوعائي 14 ويمكن أن تسهم حتى الأمراض العصبية الأخرى، مثل التصلب المتعدد 15.
وكشفت الوريدية والشريانية الخلايا البطانية بطبيعتها إلى أنماط تدفق الدورة الدموية المختلفة في الجسم الحي، والعديد من مختلف الظواهر الخلايا البطانية يمكن أظهرت 16. اعتمادا على حجم ووتيرة تدفق، ويمكن أن تشمل التأثيرات على الخلايا البطانية تنشيط الخلايا الالتهابية وموت الخلايا المبرمج، والتي قد تعكس التغيرات في الجينات أو البروتين التعبير 17،18. دراسات عن مدى استجابة الخلايا البطانية للقص الظواهر بالتالي تبقى معقدة من جراء الصعوبات في إنتاج نماذج في المختبر التي تنتج بشكل كاف مثل هذه الأنماط القص.
العديد من experime مختلفةوقد وضعت بروتوكولات ntal لتطبيق إجهاد القص السائل إلى البطانية الطبقات الوحيدة الخلية. أحد أنظمة الأكثر شيوعا هي موازية غرفة التدفق لوحة، مما يخلق تدفق الصفحي موحد داخل غرفة 19-21. وعادة ما يتم توصيل مضخة تحوي لخلق تدفق الدوري، والتي يمكن تلخيص خصائص التدفقات التي توجد عادة في العديد من المواقع في الجسم الحي 22. يستخدم المشترك انشاء أخرى في "مخروط ولوحة" نموذج، حيث يتم تحديد إجهاد القص السوائل عن طريق سرعة دوران مخروط 23. كلا النظامين، وترتيبات أخرى مشابهة لها، ويمكن أن تكون مملة لانشاء وتتطلب المكونات التي يمكن أن تكون مكلفة نسبيا وبعيدة عن متناول العديد من المختبرات.
قيدا رئيسيا آخر من هذه النماذج الحالية هو عدد قليل نسبيا من الدراسات تكرار التي يمكن القيام بها في وقت واحد، ولكل منها مساحة منخفضة نسبيا. وهذا يزيد من الوقت والتعاون mplexity هذه النهج. لذلك، وهو نموذج مثالي أن يدفع القص أحادي الاتجاه والدوري قد يكون واحدا حيث عدد كبير من مكررات الدراسة يمكن تعيين ما يصل بسهولة، ولكل منها مساحة كبيرة نسبيا. وعلاوة على ذلك، فإن النماذج المذكورة أعلاه تتطلب الإعداد متطورة إلى حد ما، والتي قد تكون باهظة التكلفة بالنسبة لكثير من المستخدمين. نموذج التي يمكن أن تنتج اضطرابات القص السوائل باستخدام المواد المختبرية الأساسية قد يكون العديد من المزايا.
وهناك طريقة بسيطة واقتصادية للغاية تطبيق أحادي الاتجاه، إجهاد القص الدوري ينطوي على وضع أطباق دائرية على شاكر المداري 24. هذا البروتوكول هو بسيط جدا ويمكن زيادتها إلى تحقيق أرقام عالية من الدراسة يعيد، ولكل منها مساحة كبيرة نسبيا، حسب الحاجة. ومع ذلك، تتعرض الخلايا تقع في وسط الطبق لأنماط التدفق مختلفة من الخلايا على امتداد المحيط الخارجي، مما أسفر عن ردود المظهرية الخلوية مختلطة في نفس الطبق.
_content "> في هذا التقرير الحالي، نحن تصف بناء واستخدام" حلقات القص، لدينا نموذج لخلق إجهاد القص أحادي الاتجاه والدوري، وتصميم لحلقة القص بشكل فعال حدود "مختلطة" الظواهر التي يسببها القص الخلوية عن طريق تقييد تدفق المسار داخل طبق ثقافة التعميم إلى المحيط من خلال وضع الحلقة الداخلية، وبناء وتشغيل الحلقة القص هو بسيط واقتصادي ويمكن زيادتها بسهولة لاستيعاب مجموعة واسعة من الهزازات المدارية باستخدام المتاحة على نطاق واسع لوازم زراعة الأنسجة. هذا نموذج يمكن تطبيقه في تجارب الخلايا البطانية لتوفير أنماط تدفق أحادي الاتجاه والدورية ضمن مستويات الفسيولوجية والمرضية في جسم المريض.1. بناء 150 مم القطر القص خواتم (الشكل 1)
قد يتم بناؤها حلقات القص لخلق أبعاد كثيرة مختلفة متفاوتة الأحجام طبق بيتري الخارجي والداخلي، مما أدى إلى الأجهزة مع مختلف مجموع المساحات السطحية، والمحاصيل الخلية وضعت نطاقات قوى القص: ملاحظة. ويصف هذا التقرير طبق 150 ملم جنبا إلى جنب مع طبق الداخلي 100 مم لمساحة إجمالية قدرها 98 سم 2 (الشكل 2).
الشكل 1. القص عصابة التجمع، والجزء العلوي من هذا الرقم يظهر حلقة القص تجميعها جزئيا. ضخ 0.5 مل من كلوريد الميثيلين من خلال ثقب 3 ملم مع الماصة نقل إذا ختم ضيق لم شكلت تماما بين الأطباق الداخلية والخارجية. وختم الحلقة القص اغلاق طريق تطبيق حبة سميكة 1 ملم من مادة لاصقة السيليكون والمطاط حول EDG الداخلي(ه) من رأس عصابة القص. الجزء السفلي من هذا الرقم يدل على عصابة القص تجميعها. يمثل اللون الأزرق مجال الخلايا البطانية مطلي. السهام الحمراء الخارجي والداخلي وتشير الحركة المدارية للحلقة القص وسائل الإعلام داخل الحلبة القص عند وضعه على شاكر المداري. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2. القياسات السطحية لحلقة القص 150 ملم (وليس رسمها لتوسيع نطاق). وتظهر لوحة أعلى التحول الطرد المركزي من السوائل نحو الطوق الخارجي ردا على دوران مداري. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
2. تعقيم خواتم القص
3. دراسات إجهاد القص
هنا نقدم نتائج ممثل من كل من hCMEC / D3 الخلايا البطانية الدماغ وشبكية العين الفئران الطبقات الوحيدة الخلية الاوعية الدموية الدقيقة البطانية، مثقف في حلقات القص.
بعد السماح hCMEC / D3 الطبقات الوحيدة الخلية البطانية الدماغ ليصل إلى نقطة التقاء في EBM كاملة، وضعت حلقات القص على شاكر المداري لمدة 72 ساعة. باستخدام المعادلة من الخطوة 3.5، تحسب إجهاد القص القصوى وكان ما يقرب من 2.8 داين / سم 2 (مع المعلمات
= 0.95 سم،
= 0.0101 اتزان،
= 0.9973 جم / مل 24،
= 1.5 تناوب / ثانية ). لقد وجدنا أن هذه الطبقات الوحيدة الخلية البطانية تظهر أحيانا محاذاة بالتوازي مع اتجاه تدفق الدوري (الشكل 3)، على الرغم من أن هذا لم يلاحظ بشكل موحد لطبقات الخلايا وعادة ما يكون التصاق ممتازة لسطح حلقة القص طوال فترة الدراسة.
بعد السماح الفئران الشبكية الاوعية الدموية الدقيقة الطبقات الوحيدة الخلية البطانية ليصل إلى نقطة التقاء في كامل المتوسطة الخلايا البطانية الفئران، بما في ذلك EGF / VEGF المكملات عامل النمو، وضعت حلقات القص على شاكر المداري لمدة 72 ساعة. باستخدام المعادلة من الخطوة 3.5، تحسب إجهاد القص القصوى وكان ما يقرب من 12 داين / سم 2 (مع المعلمات
= 0.95 سم،
= 0.0101 اتزان،ديزيل / ftp_upload / 54632 / 54632eq4.jpg "/> = 0.9973 جم / مل 24،
= 4 دورات / الثانية). ويبين الشكل (4) أن مقارنة بالمجموعة الضابطة تحميل β-الأكتين، كان هناك خسارة كبيرة وهامة من الصفائح الدموية البطانية جزيء التصاق الخلية (PECAM 1 / CD31) من على سطح الخلايا البطانية.
PECAM-1 هو بروتين الغشاء لا يتجزأ وهو عضو في الغلوبولين المناعي (IG) -superfamily يحتوي على immunoreceptor تعتمد على التيروزين عزر المثبطة أو "ايتيم" 26. لا يتم التعبير عن PECAM-1 فقط على الخلايا البطانية ولكن تم العثور أيضا على الخلايا المكونة للدم. يلعب PECAM-1 أدوارا هامة في بطانة الأوعية الدموية التصاق الخلية خلية، الكريات البيض موصلي التهجير، الإشارات الخلوية، والأهم من ذلك، والميكانيكية تنبيغ إجهاد القص. دور PECAM-1 في الاستشعار عن إجهاد القص هو أمر حاسم لوظائف الأوعية الدموية endotheli خلايا القاعدة والتوازن 17. عندما تتعرض الطبقات الوحيدة البطانية لإجهاد القص، PECAM-1 يستجيب مباشرة للقوة الميكانيكية المبذولة على ذلك عن طريق تغيير الفسفرة التيروزين لها، وتفعيل لاحقة من ERK1 / 2 يشير شلال 27. وعلاوة على ذلك، تمت مقاطعة PECAM-1-أنوش جمعية المعقدة التي الاضطرابات في إجهاد القص 28. لذلك، PECAM-1 تمكن خلايا بطانة الأوعية الدموية لاستشعار التغيرات في القوات إجهاد القص السوائل التي يمكن أن تؤدي إلى تمدد رد الفعل من جدار الوعاء الدموي 29.
وتدعم هذه البيانات هذا النموذج تبين أن الخلايا البطانية تستجيب للتعرض للالدوري، القص السوائل أحادي الاتجاه من أسفل تنظيم وموصلي هاما وحاسما لاصق، التي تتوسط الاتصال بين الخلايا وكذلك تبادل خلية transvascular.
632fig3.jpg "/>
الشكل 3. الدماغ مورفولوجيا الخلايا البطانية في حلقة القص، وظهور الطبقات الوحيدة الخلية hCMEC / D3endothelial في حلقات القص بعد 48 ساعة من القص السوائل الدوري أو التعرض ثابت. المواءمة بين الثقافات ليست دائما وحظ بالتوازي مع تدفق الاتجاه (كما هو موضح بواسطة السهم). الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الرقم 4. ردود خلية إلى القص الدوري. الجرذ الاوعية الدموية الدقيقة في شبكية العين الطبقات الوحيدة الخلية البطانية مثقف في حلقات القص أظهرت انخفاضا في PECAM1 / CD31 بالنسبة لبيتا الأكتين (ن = 3 لكل منهما، طلاب أونبايريد اختبار (ت)، * -p <0.05، أشرطة الخطأ تشير إلى الانحراف المعياري)، بعد 72 ساعة من الشيا السائل الدوري(ص) في حلقات القص.
بناء على نظام عصابة القص لتعريض الخلايا البطانية القص هو نهج بسيط لإجراء الدراسات إجهاد القص. ومع ذلك، هناك بعض الخطوات التي تعتبر بالغة الأهمية للحصول على حلقات القص العالية ونتائج أفضل. وينبغي بذل ختم كاملة بين الحلبة الداخلية والخارجية لمنع وسائل الإعلام من تسريب التي يمكن أن تؤدي إلى إجهاد القص غير متناسقة بين العينات. إذا لم يتم ختم كامل، يجب إضافة كمية صغيرة من كلوريد الميثيلين إلى الحافة بين الطبق الداخلي والخارجي مع الماصة نقل من خلال ثقب في الحلقة الداخلية. بلطف الدورية للحلقة ينبغي أن يسمح لكلوريد الميثيلين لتشكيل ختم كاملة. أيضا، نجارة البلاستيكية المنتجة عن غير قصد من القطع قد تكون موجودة على الطريق الدائري القص، لذلك الشطف خارج الحلبة القص بعد البناء يجب إزالة أي حطام التي يمكن أن تؤثر سلبا على نمو الخلايا وإعطاء يتعارض تطبيق إجهاد القص.
لياليحلقات نسمع الموضحة في مقالة كبيرة الحجم نسبيا، مما أدى إلى ارتفاع حجم الناتج لكل عينة. ومع ذلك، إصدارات أصغر يمكن بناؤها باستخدام أطباق بتري أصغر (على سبيل المثال، 100 مم طبق بيتري مع ادخال 60 ملم). بناء حلقات متعددة القص أصغر يمكن أن تسمح لأعداد أكبر من يعيد دراسة في حين لا يزال الحفاظ على كميات السوائل الكبيرة نسبيا والمناطق السطحية في العينة بالمقارنة مع الطرق الأخرى.
وقد لاحظت وقضايا قليلة عند استخدام حلقات القص. أولا، بعض الهزازات المدارية تنتج كميات زائدة من الحرارة، وتفشل بعض حاضنات للسيطرة على هذه الزيادة في درجة الحرارة. ويمكن تجنب ذلك عن طريق اختيار المناسب من الدوارات واستخدام حاضنات تغلف غير المياه، التي تبادل الحرارة أكثر من ذلك بكثير بسهولة. تلوث الثقافة هو قلق محتمل آخر عند استخدام حلقات القص، خصوصا بعد التجمع في بيئة الهواء الطلق. حلقات القص يجب تعقيمها جيدا قبل الاستعمال.
نحن هنا وقد وصفت طريقة بسيطة للكشف عن أعداد كبيرة من الخلايا البطانية لإجهاد القص السوائل. وطرق أخرى لإنتاج القص أحادي الاتجاه والدوري المتاحة ولكن هي أيضا أكثر تكلفة بكثير ومعقدة، وقتا طويلا عند النظر في مساحات وأعداد الخلايا المعرضة في التجربة. ويشمل أحد هذه طريقة توصيل مضخة تحوي على غرفة التدفق لوحة موازية، والتي يمكن من الصعب اقامة ومكلفة نسبيا. في حين أن عصابة القص بسيطة لإنشاء واستخدام وتطبيق إجهاد القص هو أقل دقة. تدفق المداري يمكن أن تولد تيارات تدفق المعقدة، والتي قد نموذج بعض، ولكن ليس كل شيء، الدول المادية للتدفق وجدت في علم وظائف الأعضاء الأوعية الدموية العادية. يمكن أن ينظر إلى عدم قدرة ذاتية التحكم بدقة التدفق في حلقة القص الحصر الحالي للنموذج. وعلاوة على ذلك، الصيغة الرياضية موضح في البروتوكول أعلاه يمكن أن تستخدم كأداة لتقدير السائل أقصى إجهاد القص في حلقة القص.ومع ذلك، هناك حاجة لدراسات التجريبية والحسابية إضافية وأكثر تطورا لتوصيف أنماط تدفق نهائيا في حلقة القص. كما توصيف أنماط التدفق وإجهاد القص السوائل يفهم على نحو أفضل في حلقة القص، ينبغي للمرء أن يكون قادرا على التكيف بشكل أفضل المعلمات التجريبية (الحجم الأمثل للحلقة القص، دورة في الدقيقة من شاكر المداري، وحجم وسائل الإعلام في حلقة القص، الخ ) لتوليد الدوري، إجهاد القص أحادي الاتجاه المطلوب.ج يني يون لديه منحة بحثية من مؤسسة أنيت Funicello. J. ستيفن الكسندر لديها دعم البحوث من قسم علم الأعصاب، LSUHSC-S.
فإن الكتاب أن نعترف المساعدة من السيد كريستوفر نغوين، هارون هنتر وويزيانا في Jumpstart، سمارت، وبرامج التدريب Biostart فضلا عن قسم بمئوية كلية ولاية لويزيانا من الفيزياء الحيوية، ويزيانا، لوس انجليس.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
100 x 20 mm plastic tissue culture dish | Corning | 430167 | The dishes must be polystyrene |
150 x 25 mm plastic tissue culture dish | Corning | 430599 | The dishes must be polystyrene |
150 mm glass Petri dish | Fisher | 3160150BO | |
15 ml polystyrene tissue culture plastic tubes | Falcon | 352099 | |
Methylene chloride | Sigma-Aldrich | D65100 | |
silicone rubber sealant | DAP | 7079808641 | |
ethanol | Decon | 2701 | |
3 ml transfer pipette | Becton-Dickinson | 357524 | |
printer paper | |||
scissors | |||
gloves | |||
rotary tool and set | Dremel | 4000-6/50 | |
rotary tool cutting head | Dremel | EZ476 | |
rotary tool drill head | |||
distilled water | |||
orbital shaker | VWR | 57018-754 | |
incubator | |||
Rat retinal microvascular endothelial cells | Cell Biologics | RA-6065 |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved