Papier vormt de kern van een experimenteel apparaat dat is ontwikkeld door bio-ingenieurs van Rice University om hartziekten te bestuderen.

Ze gebruiken op papier gebaseerde structuren die de gelaagde aard van aortakleppen nabootsen. de taaie, flexibele weefsels die ervoor zorgen dat het bloed slechts in één richting door het hart stroomt. Met de apparaten kunnen de ingenieurs in detail bestuderen hoe verkalkende ziekten de werking van harten vertragen of stoppen.

Het werk van het Brown School of Engineering-team, gedetailleerd in Acta Biomaterialia , laat zien dat collageen 1, een natuurlijk eiwit en een bestanddeel van de fibreuze extracellulaire matrix van de kleppen, lijkt een sterke associatie te hebben met calcificatie wanneer het buiten zijn gebruikelijke domein wordt gevonden. Kleppen die verhard zijn door calciumafzettingen zijn minder flexibel en verliezen hun vermogen om de hartkamers af te sluiten.

"Als weefsels veel overtollig type 1 collageen aanmaken, het heet fibrose, " zei Rice bio-ingenieur Jane Grande-Allen, die de studie leidde met Rice afgestudeerde student en hoofdauteur Madeline Monroe. "Fibrose kan in veel soorten weefsels voorkomen en gaat gepaard met verkalkte aortaklepziekte (CAVD). Dat betekent niet noodzakelijk dat collageen altijd CAVD zal veroorzaken, maar het dreef absoluut het verkalking-gebonden fenotype in de cellen die we kweekten."

Collageen blijft over het algemeen in de fibrosa-laag van de klep, een van de drie in elk van de drie blaadjes die een aortaklep vormen. (De andere lagen zijn de spongiosa en ventricularis.) De onderzoekers maakten papierlagen om hartklepcellen te ondersteunen die zijn ingebed in collageen of hyaluronan, en ontdekte dat wanneer collageen 1-eiwitten in meerdere lagen aanwezig zijn, de cellen gedragen zich op een manier die uiteindelijk zou leiden tot gemineraliseerde laesies.

Grande-Allen zei dat de lagen extracellulaire matrix in een gezonde aortaklep goed gedefinieerd zijn. "In een meer pathologische toestand, het collageen is niet gelokaliseerd, ' zei ze. 'Het is uitgespreid. Onze modellen suggereren dat niet-gelokaliseerd collageen zou kunnen bijdragen aan celoverexpressie van deze verkalkende factoren."

Hoe dat komt, willen de Rice-onderzoekers weten. Ze hadden een manier nodig om te zien hoe klepcellen zouden reageren op collageen dat zich door een driedimensionaal weefsel verspreidt, en gewoon filterpapier bleek een geschikte vervanger te zijn. Wat ze maakten lijkt niet op een hartklep, maar werkt effectief als een om te laten zien hoe cellen zich door de lagen van een klep prolifereren.

Hartklepziekte is nog niet te behandelen met een pil, zei Grande-Allen, die een groot deel van haar carrière klepziekte heeft bestudeerd en in 2015 verslag heeft gedaan van op papier gebaseerde culturen. De huidige remedies omvatten vaak vervanging van de klep door menselijk of dierlijk donorweefsel of een mechanische klep. Maar het vermogen om alle lagen van een klep nauwkeurig te modelleren en te manipuleren, zou kunnen helpen bij het ontcijferen van de chemische transacties bij hartaandoeningen. Ze zei dat dit uiteindelijk kan leiden tot niet-invasieve medicatie.

"De eerste stap was om modellen te ontwikkelen die het gedrag van de cellen in kleppen nabootsen, " zei Grande-Allen. "De volgende stap zou zijn om ze daadwerkelijk te zien verkalken. Als dat eenmaal in handen is, we kunnen beginnen met het testen van chemicaliën die dat verkalkingsproces zouden blokkeren."

Monroe, met co-auteur en Rice-student Rebecca Nikonowicz en vroege hulp van alumnus Matthew Sapp, liet zich inspireren door de cel-in-gels-in-wells filterpapierculturen die aan de Harvard University werden gebruikt om hypoxie in longkankercellen te bestuderen.

Het Rice-lab begon met het 3D-printen van polymeerhouders met reeksen gaten. Deze hielden lagen papier op hun plaats die waren geïmpregneerd met een waspatroon om overspraak tussen de open cirkels van filtreerpapier te elimineren. De cirkels werden vervolgens verzadigd met verschillende combinaties van vezelig collageen 1, hyaluronan (normaal gevonden in de spongiosalaag) en miljoenen levende hartcellen, en de vellen werden samengeperst in de houders.

"Dit modelleringssysteem geeft ons volledige controle over veel verschillende variabelen, "Zei Monroe. "We waren in staat om verschillende stapels te maken met verschillende composities op basis van welke componenten we in elke laag plaatsen. We hadden stapels waar alle lagen allemaal hyaluronzuur waren, of alle collageen, of heterogene stapels met beide soorten lagen.

"Dat laat ons zien of de cellen zich anders gedroegen als er een toename was in het aantal collageenlagen, " ze zei.

Monroe beoordeelde het gedrag van de cellen in de loop van de tijd door de eiwitmarkers te analyseren die ze tot expressie brachten, in het bijzonder alfa-gladde-spieractine (aSMA), een Runt-gerelateerde transcriptiefactor-2 (RunX2) en SRY-box 9 (Sox9), allemaal indicatoren voor CAVD. Met behulp van een high-throughput kleur- en scanmethode met de groepen putten kon ze snel gegevens verzamelen van tientallen structuren.

De gegevens lieten hen zien dat interstitiële klepcellen, het belangrijkste en normaal stabiele aortaklepceltype, werd vatbaarder voor osteogenese - verharding - in de aanwezigheid van meer lagen die collageeneiwit bevatten.

"Het papieren model is ingenieus om ons die veelzijdigheid en flexibiliteit te geven, Grande-Allen zei. "Ik ken geen andere methode waarmee we zo gemakkelijk verschillende lagen kunnen samenstellen, kweek de combinaties samen en haal ze uit elkaar en analyseer ze zo snel."