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.
סטיות רמות ודפוסים נורמלי של תפקידים חשובים לשחק גזירה נוזל וסקולרית בפיזיולוגיה וסקולרית והפתופיזיולוגיה ידי גרימת אדפטיבית וכן שינויים פתולוגיים פנוטיפ האנדותל ביטוי גנים. בפרט, תופעות הסתגלותי של מאמץ גזירה תקופתי, חד כיוון זרימה מושרה יכולות להפעיל מגוון של השפעות על תאי מסווגים מספר כלי דם, במיוחד בתאי האנדותל. בעוד ידי חברה תא אנדותל ממוצאים אנטומיים מגוונים היווה תרבותי, ניתוחים מעמיקים של תגובותיהם גזירה נוזלת כבר הקשו על ידי המורכבות היחסית של מודלי גזירה (למשל, תא זרימת צלחת במקביל, חרוט מודל תזרים צלחת). בעוד אלה מייצגים גישות מעולות, מודלים כאלה הם מסובכים מבחינה טכנית סובלים חסרונות כוללים זמן הכנה ממושך יחסית ומורכב, שטח פנים נמוך, דרישות עבור משאבות לחץ קבוע אשר לעתים קרובות דורשות איטום אטמים, יצירת אתגרים בוטתחזוקת h של עקרות וחוסר יכולת לנהל ניסויים מרובים. עם זאת, אם תימצא בה דמויות תפוקה גבוהות יותר של זרימת גזירה היו זמינות, יותר התקדמות על תגובות גזירה האנדותל של כלי דם, במיוחד מחקר גזירה תקופתי ברמה המולקולרית, עשוי להיות מתקדם במהירות רבה יותר. כאן, אנו מתארים את הבנייה ושימוש טבעות גזירה: רומן, פשוט להרכיב, ודגם בתרבית רקמה זול עם שטח פנים גדול יחסית המאפשר בקלות עבור מספר גבוה של משכפל ניסיוני חד כיווני, מחקרי מתח תקופתי גזירה על תאי האנדותל.
מאמץ גזירה נוזל הוכח לווסת תוכניות גן אנדותל 1 - 5 באמצעות הפעלת אלמנטים ציס-רגולטוריות פעילות acetyltransferase 6, היסטון 7 ואלמנטי תגובת לחץ גזירה (SSRE) 8. גזירת שפעות לחץ תרומות אנדותל כלפי קרישה על ידי ויסות רקמות גורם 9 ו activator plasminogen רקמות (tPA) ביטוי 10. גזירת לחץ משפיע גם שליטת אנגיוגנזה 11 שיפוץ כלי ידי ויסות סינתזת PDGF-B והיענות 8. אנדותל, שנגזרה adrenomedullin מתווכים vasoactive, אנדותלין -1, urotensin השנייה relaxin מוסדרים גם על ידי 12 גזירה. תמלול של ייצור synthase תחמוצת חנקן אנדותל ייצור תחמוצת חנקן הם 10 תלויות הגזירה. שאר שולט גם ביטוי ICAM-1 האנדותל 13. מאמץ גזירה נגרם זרימה יכול ולכן powerfully להשפיע מגוון רחב של תגובות האנדותל. חשוב לציין, פעימות לב וכלי דם עכשיו מופיעות גם למלא תפקידים חשובים בפתופיזיולוגיה של שני הזדקנות כלי הדם הנורמלית וצורות של דמנציה וסקולרית 14 ואף עלולה לתרום מחלות ניווניות אחרות, כגון טרשת נפוצה 15.
ורידים ותאי האנדותל עורקים נחשפים מטבעו תבניות זרימה המודינמי מגוונות in vivo, ורבי פנוטיפים תאים שונים אנדותל ניתן הציגו 16. בהתאם לעכל את גודלן ואת המחזוריות של זרימה, השפעות על תאי האנדותל עשויות לכלול הפעלת תא דלקתית אפופטוזיס, אשר עשוי לשקף שינויים בביטוי גנים או חלבון 17,18. מחקרים על תגובות תא האנדותל גזירת תופעות ולכן נשארים מסתבכים בשל הקשיים בהפקה במודלים חוץ גופייה כי כראוי לייצר דפוסי גזירה כזו.
experime רב ושונהפרוטוקולים פתיחות opening סגירות closures פותחו כדי להחיל מאמץ הגזירה נוזל אנדותל monolayers התא. אחת מהמערכות הנפוצות ביותר הוא תא זרימת צלחת במקביל, יוצרת זרימה למינרית אחידה בתוך התא 19 - 21. משאבת peristaltic מחוברת בדרך כלל ליצור זרימה תקופתית, אשר יכול לשחזר מאפייני תזרים נמצאים בדרך כלל במקומות רבים in vivo 22. עוד הגדרת משותף משתמשת במודל 'חרוט צלחת ", שבו מתח גזירה נוזל נקבע על ידי מהירות הסיבוב של החרוט 23. שני מערכות, והסדרים אחרים הדומים להם, יכולים להיות מייגעות להגדיר דורשים רכיבים שיכולים להיות יקר יחסית ולא נגיש למעבדות רבות.
מגבלה עיקרית נוספת של המודלים הנוכחיים אלה הוא מספר נמוך יחסית של מחקרים לשכפל שניתן לבצע בו זמנית, כל אחד עם שטח פנים נמוך יחסית. זו מאריכה את הזמן ושיתוף mplexity של גישות כאלה. לכן, מודל אידיאלי שגורם גזירה חד כיווני ותקופתית עשוי להיות אחד שבו מספר גבוה של משכפל מחקר ניתן להגדיר בקלות, כל אחד עם שטח פנים גדול יחסית. יתר על כן, המודלים הנ"ל דורשים התקנה מתוחכמת למדי, אשר עשוי להיות עלות אוסרני עבור משתמשים רבים. מודל שיכול לייצר הפרעות גזירת נוזל תוך שימוש בחומרי מעבדה בסיסיים עשוי להיות מספר יתרונות.
שיטה פשוטה מאוד חסכונית של החלת מתח גזירה חד כיווני, תקופתי כרוכה את המיקום של מנות חוזרות על שייקר מסלולית 24. פרוטוקול זה הוא פשוט מאוד וניתן לשנותם עד כדי להשיג מספרים גבוהים של מחקר משכפל, כל אחד עם שטח פנים גדול יחסית, בהתאם לצורך. עם זאת, תאים ממוקמים במרכז של המנה נחשפים דפוסי זרימה שונים מאשר תאים לאורך בפריפריה, מניב תגובות פנוטיפי הסלולר מעורבות באותה הצלחת.
_content "> בדו"ח הנוכחי, אנו מתארים את הבנייה והשימוש 'טבעות גזירה', המודל שלנו ליצירת מתח גזירה חד כיווני ותקופתיים. העיצוב של טבעת גזירה פנוטיפים הנגרמת גזירה הסלולר'מעורבים' גבולות באופן יעיל על ידי הגבלת זרימת מסלול בתוך צלחת תרבות עגולה לפריפריה באמצעות המיקום של טבעת פנימית. הקמה וההפעלה של הטבעת הגזירה הוא פשוט וחסכוני, וניתן לשנותם בקלות להכיל מגוון רחב של שייקר מסלולית משימוש בחומרים מתכלים בתרבית רקמה נפוצה. זה מודל יכול להיות מיושם בניסויי תא האנדותל לספק תבניות זרימה חד כיווני ותקופתיות בתוך הרמות פיסיולוגיות pathophysiological.1. בנייה של 150 מ"מ קוטר שאר הטבעות (איור 1)
הערה: טבעות Shear ניתן להקים כדי ליצור מאפיינים שונים על ידי שינוי הגדל בצלחת פטרי החיצונית ופנימי, וכתוצאה מכך מכשירים בעלי שטח פנים הכולל שונה, תשואות תא ופתח טווחי כוחות גזירה. דו"ח זה מתאר צלחת 150 מ"מ בשילוב עם צלחת 100 מ"מ פנימית עבור שטח כולל של 98 ס"מ 2 (איור 2).
איור 1. גזירת טבעת הרכבה. החלק העליון של האיור מציגה טבעת גזירה בהרכבה חלקית. להזריק 0.5 מיליליטר של מתילן כלוריד דרך חור 3 מ"מ עם pipet העברה אם חותם חזק לא נוצר לחלוטין בין המנות הפנימיות וחיצוניות. הטבעת הגזירה היא חתום לסגור ידי החלת חרוז 1 מ"מ עובי של דבק גומי סיליקון סביב EDG הפנימידואר של העליון טבעת גזירה. החלק התחתון של האיור מציג את טבעת הגזירה התאספה. הכחול מייצג את האזור של תאי אנדותל מצופים. החיצים האדומים החיצוניים ופנימיים לציין את התנועה הסיבובית של טבעת הגזירה ומדיה בתוך הטבעת הגזירה כאשר הניחו על שייקר מסלולית. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 2. מדידות שטחי טבעת גזירה 150 מ"מ (נמשך לא בקנה מידה). הפאנל למעלה מראה הסטה צנטריפוגלי של נוזל לכיוון הטבעת החיצונית בתגובה סיבוב מסלולית. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
2. עיקור של טבעות Shear
3. מחקרים מתח שאר
כאן אנו מציגים תוצאות נציג משני תאים hCMEC / D3 המוח האנדותל monolayers תאים ברשתית עכברוש אנדותל כלי הדם, בתרבית טבעות גזירה.
לאחר המאפשר monolayers תא hCMEC / D3 המוח אנדותל לגדול מפגש ב EBM המלא, הטבעות הגזירה הונחו על שייקר מסלולית במשך 72 שעות. באמצעות המשוואה משלבת 3.5, מחושב מאמץ גזירה מקסימאלי כ היה 2.8 dynes / 2 ס"מ (עם פרמטרים
= 0.95 ס"מ,
= 0.0101 שלווה,
= 0.9973 גרם / מ"ל 24,
= 1.5 סיבובים / שני ). מצאנו כי monolayers תא האנדותל אלה לפעמים להפגין יישור במקביל כיוון הזרימה המחזורית (איור 3), אם כי זה לא הוא ציין באופן אחיד בגלל שכבות תאים בדרך כלל יש הדבקה מצוינת אל פני השטח טבעת גזירה לאורך כל תקופת המחקר.
לאחר המאפשר monolayers תא כלי דם ברשתית עכברוש אנדותל לגדול מפגש במדיום תא האנדותל עכברוש מלא, כולל תוספי גורם גדילת EGF / VEGF, הטבעות הגזירה הונחו על שייקר מסלולית במשך 72 שעות. באמצעות המשוואה משלבת 3.5, מחושב מאמץ גזירה מקסימאלי היה כ 12 dynes / 2 ס"מ (עם פרמטרים
= 0.95 ס"מ,
= 0.0101 שלווה,Iles / ftp_upload / 54,632 / 54632eq4.jpg "/> = 0.9973 גרם / מ"ל 24,
= 4 סיבובים / שניים). איור 4 מראה כי בהשוואת הטעינה המלאה של β-תקטין, נרשם הפסד גדול ומשמעותי של מולקולת הידבקות תא טסיות האנדותל (PECAM-1 / CD31) ממשטח התא האנדותל.
PECAM-1 הוא חלבון ממברנלי אינטגרלי שבה הוא חבר של אימונוגלובולינים (איג) -superfamily המכיל מוטיב מעכבות טירוזין תלוי immunoreceptor או 'עתות' 26. PECAM-1 אינו מתבטא רק על תאי האנדותל אבל נמצא גם על תאי hematopoietic. PECAM-1 משחק תפקידים משמעותיים הידבקות תאי תאי אנדותל, גלגול junctional לויקוציטים, איתות תא, וחשוב מכך, mechano-תמרה של מאמץ גזירה. התפקיד של PECAM-1 ב חישת מתח גזירה הוא קריטי עבור הפונקציות של endotheli וסקולרית אל תאי הומאוסטזיס 17. כאשר monolayers אנדותל נחשף מאמץ גזירה, PECAM-1 מגיב ישירות אל הכח המכאני מופעל עליו על ידי שינוי זירחון טירוזין שלה, וההפעלה הבאה של ERK1 / 2 מפל איתות 27. יתר על כן, האגודה המורכבת PECAM-1-eNOS נקטעה בגלל הפרעת מאמץ גזירת 28. לכן, PECAM-1 מאפשר לתאי אנדותל כלי הדם לחוש שינויים כוחות הגזירה נוזל שיכול להוביל התרחבות תגובתי של בדפנות כלי הדם 29.
נתונים אלה תומכים במודל זה מראה כי תאי אנדותל להגיב חשיפה תקופתית, גזירת נוזל חד כיווני על ידי מטה ויסות junctional חשוב הקובע דבק, אשר מתווך קשר אינטר וכן חילופי תא transvascular.
632fig3.jpg "/>
איור 3. מורפולוגיה מוח תא האנדותל בטבעת גזירה. הופעתו של monolayers תא hCMEC / D3endothelial בטבעות גזירה הבאה 48 שעות של גזירת נוזל תקופתית או חשיפה סטטי. המערך של תרבויות לא תמיד נצפה במקביל לזרום בכיוון (מסומן בחץ). נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 4. תגובות תא כדי גזירה תקופתית. עכברוש רשתית כלי דם monolayers תא האנדותל בתרבית טבעות גזירה הראה ירידה ביחס PECAM1 / CD31 כדי בטאה תקטין (n = 3 כל אחד, מבחן t מזווג תלמידים, * -p <0.05, ברי שגיאה להתייחס סטיית התקן), לאחר 72 שעות של שיאה תקופתית נוזלr בטבעות גזירה.
בניית מערכת הטבעות הגזירה על חשיפת תאי אנדותל גזירה היא גישה פשוטה לביצוע מחקרי מאמץ גזירה. אף על פי כן, ישנם מספר צעדים אשר הם קריטיים עבור קבלת טבעות גזירה מעולות תוצאות טובות יותר. חותם שלם צריך להיעשות בין הטבעת הפנימית וחיצונית כדי למנוע מחומרים מ דולף אשר יכול ליצור מתח גזירה לא עקבי בין דגימות. אם חותם שלם לא נעשה, כמות מזערית של מתילן כלוריד יש להוסיף הקצה שבין הצלחת הפנימית וחיצונית עם העברת pipet דרך חור הטבעת הפנימית. בעדינות לסובב את הטבעת צריכה לאפשר את מתילן כלוריד כדי ליצור חותם שלם. כמו כן, שבבי פלסטיק המיוצר בשוגג מחיתוך רשאיים להיות נוכחים על מסלול טבעת גזירה, כך שטפו את הטבעת הגזירה לאחר הבנייה צריך להסיר כל פסולת שעלולה להשפיע לרעה על צמיחת תאים ולתת יישום גזירת מתח עקבי.
ה- sטבעות לשמוע המתואר במאמר הם גדולים יחסית בגודל, מוביל נפח גבוה של פלט לדגימה. עם זאת, גרסאות קטנות יותר ניתן לבנות באמצעות צלחות פטרי קטן (למשל, 100 מ"מ צלחת פטרי עם להוסיף 60 מ"מ). בניית טבעות גזירה מספר קטנות יכולות לאפשר מספרים גבוהים יותר של מחקר משכפל תוך שמירת כרכי נוזל גדולים יחסית שטח פנים לדגימה בהשוואה לשיטות אחרות.
כמה בעיות כבר ציינו בעת שימוש טבעות גזירה. ראשית, שייקרים מסלולית כמה המייצרים כמויות גדולות של חום, וכמה חממות מצליחים לשלוט זו עליית הטמפרטורה. זה יכול להימנע על ידי הבחירה המתאימה של המסובבים ושימוש חממות במעיל שאינם מים, אשר להחליף חום הרבה יותר בקלות. זיהום תרבות הוא דאגה נוספת פוטנציאל בעת שימוש טבעות גזירה, במיוחד לאחר ההרכבה בסביבה באוויר פתוח. טבעות גזירה יש לעקר ביסודיות לפני השימוש.
כאן תיארנו שיטה פשוטה לחשוף מספר רב של תאי אנדותל ללחץ נוזל גזירה. שיטות אחרות של הפקת גזירה חד כיווני ותקופתית זמינות אבל הם גם הרבה יותר יקרים, מורכבים, ונדרשו זמן רב כאשר בוחנים את שטח הפנים ומספרים של תאים חשופים לכל ניסוי. שיטה אחת כזו כרוכה בחיבור משאבת peristaltic על תא זרימת צלחת במקביל, מה שיכול קשה להגדיר יחסית יקר. בעוד טבעת הגזירה היא פשוטה לבנות ולהשתמש, היישום של מאמץ גזירה הוא פחות מדויק. זרימת Orbital יכולה ליצור זרמי זרימת מורכבים, אשר עשוי מודל מסוים, אך לא כולם, מצבי צבירה של זרימה מצאו בפיזיולוגיה וסקולרית נורמלית. חוסר היכולת הפנימי לשלוט זרימה בדיוק בטבעת הגזירה ניתן לראות מגבלה נוכחית אחד למודל. יתר על כן, הנוסחא המתמטית כמתואר בפרוטוקול לעיל עשויה לשמש ככלי להעריך מאמץ גזירת נוזל מקסימאלי בטבעת הגזירה.עם זאת, נוספים ויותר מתוחכמים מחקרים ניסיוניים חישובית נדרשים לאפיין דפוסי זרימה באופן סופי בטבעת הגזירה. כמו אפיון דפוסי זרימת מתח גזירת נוזל מובנה יותר בטבעת הגזירה, אחד אמורה להיות מסוגל להתאים את הפרמטרים ניסיוניים טוב יותר (גודל אופטימלי של טבעת גזירה, סל"ד של שייקר מסלולית, נפח התקשורת בטבעת הגזירה, וכו ' ) כדי ליצור את לחץ הגזירה תקופתי, חד כיווני הרצויה.יש J. Winny Yun מענק מחקר מהקרן אנט Funicello. יש ג 'סטיבן אלכסנדר תמיכה מחקרית מהמחלקה לנוירולוגיה, LSUHSC-S.
המחברים מבקשים להודות בסיוע מר כריסטופר נגוין, אהרון האנטר Shreveport Jumpstart, SMART, ותוכניות הכשרה Biostart וכן מאה שנה מכללת לואיזיאנה המחלקה לביופיזיקה, Shreveport, LA.
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