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Medicine

Ein In-Vitro-Hämodynamik-Loop-Modell zur Untersuchung der Hämozytokompatibilität und Der hostcell-Aktivierung von Gefäßmedizingeräten

Published: August 21, 2020
doi:
10.3791/61570
, , , , , , , , ,
1Department of Cardiothoracic Surgery,Otto-von-Guericke-University, 2Department of Mechanical Engineering, Institute for Materials and Joining Technology,Otto-von-Guericke-University, 3Institute of Clinical Chemistry and Pathobiochemistry,Otto-von-Guericke-University, 4Division of Cardiology and Angiology, Department of Internal Medicine,Otto-von-Guericke-University

Summary

Hier wird ein Protokoll für ein standardisiertes in vitro hämodynamisches Schleifenmodell vorgestellt. Dieses Modell ermöglicht es, die Hämokompatibilität von Perfusionsröhren oder Gefäßstents zu testen, die der ISO-Norm 10993-4 (International Organization for Standardization) entsprechen.

Abstract

In dieser Studie wurde die Hämokompatibilität von Rohren mit einem Innendurchmesser von 5 mm aus Polyvinylchlorid (PVC) verglichen, die mit verschiedenen bioaktiven Konjugaten beschichtet wurden, mit unbeschichteten PVC-Rohren, Latexrohren und einem Stent für intravaskuläre Anwendungen, die in die PVC-Rohre gelegt wurden. Die Bewertung der Hämokompatibilität erfolgte mit einem in vitro hämodynamischen Schleifenmodell, das von der ISO-Norm 10993-4 empfohlen wird. Die Rohre wurden in Segmente gleicher Länge geschnitten und geschlossen, um Schlaufen zu bilden, um jegliche Lücke am Spleiß zu vermeiden, dann mit menschlichem Blut gefüllt und in einem Wasserbad bei 37 °C für 3 Stunden gedreht. Danach wurde das Blut in den Röhrchen für die Analyse der Blutkörperchenzahl, Hämolyse (freies Plasmahämoglobin), Komplementsystem (sC5b-9), Gerinnungssystem (Fibrinopeptid A) und Leukozytenaktivierung (polymorphonukleare Elastase, Tumornekrosefaktor und Interleukin-6) gesammelt. Die Aktivierung der Wirtszellen wurde für die Thrombozytenaktivierung, den Leukozytenintegrinstatus und Monozytenplättchenaggregate mittels Durchflusszytometrie bestimmt. Die Wirkung eines ungenauen Schleifenverschlusses wurde mit Röntgenmikrotomographie und Rasterelektronenmikroskopie untersucht, die die Thrombusbildung am Spleiß zeigte. Latexröhren zeigten die stärkste Aktivierung sowohl der Plasma- als auch der Zellkomponenten des Blutes, was auf eine schlechte Hämokompatibilität hindeutet, gefolgt von der Stentgruppe und unbeschichteten PVC-Röhren. Die beschichteten PVC-Rohre zeigten keinen signifikanten Rückgang des Thrombozytenaktivierungsstatus, sondern eine erhöhte Komplement- und Gerinnungskade im Vergleich zu unbeschichteten PVC-Rohren. Das Schleifenmodell selbst führte nicht zur Aktivierung von Zellen oder löslichen Faktoren, und der Hämolysepegel war niedrig. Daher vermeidet das vorgestellte in vitro hämodynamische Schleifenmodell eine übermäßige Aktivierung von Blutbestandteilen durch mechanische Kräfte und dient als Methode zur Untersuchung von In-vitro-Wechselwirkungen zwischen Spenderblut und gefäßmedizinischen Geräten.

Introduction

Hämokompatibilitätstests von Medizinprodukten sind ein entscheidender Schritt bei der Entwicklung neuer Geräte wie Gefäßstents oder Perfusionsröhren für die extrakorporale Membransauerstoffversorgung. Bis heute gelten Tiermodelle als Standardwerkzeuge, um das Verfahren zur Prüfung der Medizinprodukte vor ihrer Umsetzung beim Menschen abzuschließen. Von nun an ist es notwendig, alternative In-vitro-Modelle zu finden, die bei der Minimierung von Tieruntersuchungen weiter helfen. In dieser Studie haben wir daher ein Miniatur-In-vitro-Hämodynamik-Schleifenmodell untersucht. Ziel dieser vorgestellten Methode ist es, die In-vitro-Blutverträglichkeit von Medizinprodukten nach der Norm ISO 10993-4 zu testen.

Der ISO 10993-4-Standard beschreibt standardisierte Sätze klinischer Parameter, die an Blutprobe1untersucht werden sollen. Kurz gesagt, dies sind Thrombose (Thromboletaggregation und -anzahl), Gerinnung (Fibrinopeptid A, FPA), hämatologische Analyse (Vollblutzellzahl), Hämolyseindex (freies Plasmahämoglobin) und das Komplementsystem (Terminalkomplementkomplex, sC5b9). Zusätzliche Marker, wie z.B. neutrophile polymorphonukleare Elastase (PMN), Interleukin 6 (IL-6) und Tumornekrosefaktor – alpha (TNF), die den Aktivierungsstatus von Leukozyten widerspiegeln, können auch für Messungen berücksichtigt werden. Zur Bestimmung und Quantifizierung der zirkulierenden zellfreien Proteine, die im Blutplasma vorhanden sind, stellt der sandwich-enzymatische Immunsorbent Assay (ELISA) eine konventionelle und zuverlässigste Methode2,3dar. Ebenso können der Phänotyp und der Aktivierungsstatus der Wirtszellen (z. B. Leukozyten) quantifiziert werden, indem die Zelloberflächenexpression von Molekülen durch Durchflusszytometrie (FACS) erkannt wird, die auf einzelzelliver Suspensions-basierten Auslesungen basiert, bei denen fluoreszierende markierte spezifische Antikörper an die Zielzelloberflächenmoleküle4 binden. Die Rasterelektronenmikroskopie (SEM) wird auch empfohlen, um die Thrombusbildung auf dem getesteten Material nach iso 10993-4 Standard1zu bestimmen. Diese Methode kann durch röntgenmikrotomographie (CT) ergänzt werden, um strukturelle Analysen des Thrombus z.B. seiner Dicke, Größe und Lokalisation in einem 3D-gerenderten Bild5durchzuführen.

Der Grund für die Verwendung dieses in vitro hämodynamischen Modells ist es, die leistungsfähigsten und kompatiblen Medizinprodukte zu überprüfen, indem man die grundlegende physiologische Dynamik von Blutbestandteilen wie Blutplättchen, die an der primären Hämostase oder Leukozyten und deren Wechselwirkung mit verschiedenen Arten von Gefäßgeräten beteiligt sind, versteht. Solche In-vitro-Systeme sind sehr gefragt, da sie den Bedarf an Tierstudien reduzieren.

Das hier vorgestellte Loop-Modell erfüllt diese Anforderungen. Dieses Modell wurde erstmals 1958 von A.B. Chandler für die Herstellung von Blutthrombi beschrieben und wird daher auch Chandler Loop Modell6genannt. Bis jetzt wurde dieses Modell in einer Reihe von Experimenten und Modifikationen verwendet, um die Blutbiokompatibilität von Medizinprodukten7,8,9,10,11,12,13,14zu untersuchen. Es besteht aus Polymerröhren, die teilweise mit Blut gefüllt und zu reverschließbaren Schlaufen geformt werden. Diese Schleifen drehen sich in einem temperaturgeregelten Wasserbad, um vaskuläre Strömungsbedingungen mit ihren hämorheologischen Wirkungen zu simulieren. Alternative Methoden wie pumpengetriebene Modelle oder Modelle, die mechanische Kugelhähne innerhalb der Schlaufen verwenden, um einen Blutfluss in den Polymerröhren zu induzieren, wurden bereits beschrieben15,16. Der Gesamtvorteil der hier vorgestellten Methode besteht jedoch darin, dass die mechanische Kraft, die auf die Blutzellen und Proteine ausgeübt wird, gering ist, wodurch Hämolyse vermieden wird und es keinen Kontakt zwischen Blut und Anschlüssen gibt, der möglicherweise zu Strömungsturbulenzen und der Aktivierung von Blutbestandteilen führen könnte. Die wichtigsten aktivierenden Faktoren innerhalb der Schleife sind das Testmaterial selbst und die Luft, die im Inneren eingeschlossen ist. Dies trägt dazu bei, Messfehlerquellen zu minimieren und eine hohe Reproduzierbarkeit zu liefern, auch wenn die Blut-Luft-Schnittstelle zu einer Proteindenaturierung führen kann17. Es ist auch möglich, Sorten von Rohrmaterialien und Stentdurchmesser ohne Längen- oder Größenbeschränkungen zu untersuchen, wodurch die Verwendung von Rohren unterschiedlicher Länge und Innendurchmesser ermöglicht wird. Darüber hinaus können auch Hämokompatibilitäten von Wirtshämokompatibilitäten bei ungenauem Schleifenverschluss und Exposition gegenüber der unbeschichteten Rohroberfläche untersucht werden. Andere ähnliche medizinische Anwendungen dieses in vitro hämodynamischen Schleifenmodells ist, dass es auch verwendet werden könnte, um die Wechselwirkungen zwischen Immuntherapeutika (Medikamente) und Blutbestandteilen während der präklinischen Entwicklung oder des individuellen Arzneimittelsicherheitsscreenings vor der klinischen Erstphase I oder für die Erzeugung von Thrombusmaterial zu untersuchen, das in weiteren Experimenten18,19,20verwendet werden kann.

Diese Studie beschreibt ein detailliertes Protokoll zum Testen der Hämokompatibilitäten von Perfusionsröhren und/oder Stents. Hier der Vergleich zwischen unbeschichteten und beschichteten PVC-Rohren (hepPVC: Heparin-Beschichtung, PolyPVC: Beschichtung mit einem bioaktiven Polymer). Für beide beschichteten Rohre wurde eine niedrigere Aktivierung der Thrombozyten, aber eine höhere Aktivierung des Gerinnungssystems (FPA) im Vergleich zu den unbeschichteten Rohren gefunden. Die hier verwendeten HepPVC-Rohre werden mit kovalent gebundenem Heparin modifiziert, um sie thromboresistent21 zu machen und wurden bereits in einem Schleifenmodell eingesetzt, um verschiedene Parameter zu optimieren und zu charakterisieren22. Die in dieser Studie verwendeten PolyPVC-Röhren sind handelsübliche Röhrchen, die in klinischen Umgebungen der extrakorporalen Blutperfusion verwendet werden und mit einem Heparinpolymer beschichtet sind, um ihre Thrombogenität zu reduzieren23. Manchmal werden in klinischen Anwendungen sogar unbeschichtete PVC-Rohre verwendet. Daher haben wir Latexröhren als positive Kontrollgruppe aufgenommen, die eine übermäßige Aktivierung von Thrombozyten, Gerinnungssystem und lösliche Faktoren wie IL-6, TNF und PMN-Elastase zeigte. Thrombusbildung wurde bemerkt, als ein ungenauer Schleifenverschluss simuliert wurde. Dies führte zur Aktivierung des Gerinnungs- und Komplementsystems sowie von Leukozyten und Thrombozyten im Vergleich zu den Ausgangsbedingungen. Darüber hinaus führte der Blutkontakt mit dem hier verwendeten Stentmaterial (blankes Nitinolstent, bedeckt mit kohlenstoffimprägniertem expandiertem Polytetrafluorethylen) zu einer höheren Thrombozyten- und Leukozytenaktivierung in Form von PMN-Elastase. Insgesamt induzierte das vorgestellte Modell keine Hämolyse in einem der getesteten Gefäßgeräte, da sie mit den Ausgangs- oder statischen Bedingungen vergleichbar waren, mit Ausnahme der Latexröhren, bei denen die Hämolyse roter Blutkörperchen (RBC) offensichtlich war. Darüber hinaus können diese Perfusionsröhren entweder bildgebend oder durch Histologie untersucht werden. Obwohl histologische Auswertungen machbar sein könnten, konzentrierten wir uns hauptsächlich auf ELISA und Durchflusszytometrie, um diese Experimente durchzuführen und damit die Machbarkeit von Experimenten auf der Grundlage des hier vorgestellten Modells für viele Laboratorien zu ermöglichen. Somit stellt diese Methode eine praktikable Methode dar, um die Blutbiokompatibilität von gefäßmedizinischen Geräten gemäß den Empfehlungen der ISO 10993-4-Norm zu testen. Darüber hinaus kann diese Methode immer dann eingesetzt werden, wenn eine Wechselwirkung zwischen Blut und Materialien unter Strömungsbedingungen getestet werden sollte, die die In-vivo-Bedingungen imitiert.

Protocol

Diese Studie wurde von der Ethikkommission der medizinischen Fakultät des Universitätsklinikums Magdeburg (Antragsnummer 88/18) genehmigt und die Probanden vor dem Blutentnahmeverfahren schriftlich in Kenntnis der Einwilligung einwilligt. 1. Heparin-Stoffzubereitung und Blutentnahme Berechnen Sie die Menge an Blut, die für die gesamten Experimente benötigt wird.HINWEIS: Fast 5 ml heparinisiertes Blut werden für jedes Gefäßgerät in Duplikaten (Schleifen) benötigt. Ebenso werden 5 ml Blut für jede Ausgangs- und statische Bedingung benötigt, die bei Raumtemperatur beiseite gehalten wird. Bereiten Sie eine Heparin-Stammlösung in der Konzentration von 100 I.E./ml vor, indem Sie das unfraktionierte Heparin (z.B. Rotexmedia) in entionisiertem Wasser verdünnen. Verwenden Sie 150 l dieser Lösung für die Heparinisierung von 10 ml frischem Blut. Berechnen Sie die Menge an Blut sowie Plasma, die für die Blutkörperchenzahl, ELISA und FACS-Assays benötigt werden.HINWEIS: Die in dieser Studie dargestellten Messungen stammen aus zwei parallel verlaufenden Schleifen (eine als Duplikat) mit einem Gesamtblutvolumen von 10 ml. Auf der Grundlage der erforderlichen Blutmenge 10 ml Spritzen mit 150 l Heparin-Stammlösung füllen, um die Blutgerinnung mit einer endgültigen Heparinkonzentration von 1,5 I.E./ml Blut zu verhindern. Zeichnen Sie Blut mit einem Schmetterling (Größe: 21 G). Füllen Sie die Spritzen sehr sanft, um Hämolyse oder Zellaktivierung durch übermäßiges Vakuum zu vermeiden.HINWEIS: Die Genehmigung der lokalen Ethikkommission sollte vor Beginn der Experimente eingeholt werden. Einholen Sie die informierte Zustimmung von jedem menschlichen Blutspender. Stellen Sie sicher, dass der Blutspender gesund ist und keine Medikamente, insbesondere keine Thrombozytenschutzmittel oder nichtsteroidale entzündungshemmende Medikamente für mindestens 10 Tage vor den Experimenten. Bemerkenswert ist, dass derselbe Spender bevorzugt wird, wenn verschiedene Arten von Gefäßgeräten zum ersten Mal verglichen werden, wie in diesem Manuskript dargestellt. Um die interindividuellen Unterschiede weiter zu bewerten, kann das Protokoll mit verschiedenen Spendern wiederholt werden. Sammeln Sie Blut in einem Glasbecher, vermeiden übermäßige Unruhe. 2. In-vitro-hämodynamische Schleifenbaugruppe Füllen Sie das Wasserbad, bis der Wasserstand bis zur Mitte der Rotationseinheit reicht. Wassertemperatur auf 37 °C einstellen. Schleifenmontage zur Prüfung verschiedener Rohrmaterialien (PolyPVC, HepPVC, PVC und Latex) Schneiden Sie mit dem Rohrschneider zwei 50 cm lange Teile jedes Rohrmaterials (Innendurchmesser 5 mm). Achten Sie darauf, dass die Schnittfläche flach ist, da dies besonders wichtig ist für den perfekten Verschluss für die Schlaufen mit kleinen Durchmessern, so dass Blut ohne Verzerrung auf der Passendenkante fließt.HINWEIS: Dieses gesamte Protokoll nutzt die Rohre mit einem Innendurchmesser von 5 mm. Um die Handhabung zu vereinfachen und Eine Verzögerung der Nachprobe-Verarbeitung nach der Drehung zu vermeiden, führen Sie nur vier Schleifen (2 Materialien in Duplikaten) parallel aus. Um eine Schleifenform zu erzeugen, stecken Sie die offenen Endungen der Rohre in ein kurzes Stück Siliziumrohr, das den Außendurchmesser des Untersuchungsrohres anpasst. Verwenden Sie die Polycarbonat-Spannungsbänder, um das ordnungsgemäße Schließen der Schleifen zu gewährleisten. Wenn Sie zum ersten Mal verwendet werden, passen Sie die Länge der Bänder an den Außendurchmesser der Schlaufe an, indem Sie das Spannband mit einer Schere in erforderlichen Längen schneiden und mit einem Drehmomentschlüssel von 3 mm sichern. Ziehen Sie die Verriegelungsschraube des Spannbandverbinders bei der Inspektion der Rohrenden vorsichtig fest. Stellen Sie die Schließkraft so ein, dass kein Abstand zwischen den Rohrenden verbleibt. Wenn die Verriegelungsschraube vollständig angezogen ist und die Spannung des Polycarbonatbandes zu niedrig erscheint, um den Spalt zwischen den Rohrenden zu schließen, öffnen Sie die Verriegelung des Systems und schneiden Sie einige mm des Spannbandes. Wiederholen Sie dies, bis ein genauer Schleifenverschluss erreicht ist (Abbildung 1A). Wenn das Schlauchmaterial sehr weich ist und dazu neigt, in die Spannbänder zu rutschen, fixieren Sie die Schleife mit elektrischem Klebeband am Spannband (Abbildung 1B,C). Bereiten Sie eine zusätzliche PVC-Schleife für die Temperaturregelung mit den gleichen Abmessungen wie die Testschleifen vor. Sichern Sie die Schleifen in der Schleifenwiege der Rotationseinheit außerhalb des Wasserbades. Danach befestigen Sie die Schlaufenwiege an der Rotationseinheit im Wasserbad (Abbildung 1E). Demontieren Sie das Spannband teilweise aus den Schleifen und ziehen Sie ein Ende jedes Rohres ab, um die Schleife zu öffnen. Jede Schleife vorsichtig mit 5 ml Blut mit einer 5 ml serologischen Pipette füllen. Mischen Sie Blut sanft zweimal in der Glasbecher durch langsampipettieren auf und ab vor dem Laden in die Schlaufen. Nehmen Sie das Einweg-Thermometer und legen Sie es in die Temperaturregelschleife. Wenn das Thermometer zu groß ist, schneiden Sie es mit einer Schere, um kleinere Rohre zu passen. Füllen Sie die Schleife mit 5 ml entionisiertem Wasser bei Raumtemperatur. Schließen Sie die Schlaufen und stellen Sie sicher, ob die Schlaufen, die Spannbänder und das Rack richtig montiert sind. Stellen Sie die Drehzahl auf 30 Runden pro Minute (Rpm) ein und drehen Sie sie um 3 h. Schleifenbaugruppe zum Testen der Auswirkungen unsachgemäßer Schleifenverschlüsse (Lücke) Bereiten Sie vier Schleifen (PolyPVC) vor, wie in 2.2 beschrieben. Schließen Sie zwei der Schleifen ordnungsgemäß mit den Spannbändern und vermeiden Sie einen Abstand zwischen den Rohrenden. Für die anderen beiden Schleifen stecken die offenen Enden in das größere Rohr, wie in 2.2.3 beschrieben, aber lassen Sie einen Abstand von 1-2 mm zwischen den Schleifenenden. Verwenden Sie die Spannbänder nicht für diese Schleifen (Abbildung 1D). Bereiten Sie eine Temperaturregelschleife vor, wie in 2.2.7 und 2.2.11 beschrieben. Füllen Sie alle Schleifen mit Blut, wie in 2.2.10 beschrieben. Stellen Sie die Drehzahl auf 30 Umdrehungen und drehen Sie sie um 3 h. Schleifenbaugruppe für Stenttests Bereiten Sie vier Schleifen vor, wie in 2.2 und im Folgenden beschrieben.HINWEIS: Um die Blutbiokompatibilität von Stents zu bewerten, sollte das Schlauchmaterial selbst als biokompatibel getestet werden, um eine Maskierung der Zellaktivierung zu verhindern. Liegen keine Daten vor, kann das Rohrmaterial selbst wie unter 2.2 beschrieben geprüft werden. Darüber hinaus kann der Durchmesserbereich innerhalb des Stents aufgebracht werden (siehe Herstelleranleitung) und sollte dem Innendurchmesser des Rohrmaterials entsprechen. Öffnen Sie zwei der Schleifen und nehmen Sie die Röhre aus dem Zugbandsystem. Legen Sie den Stent gemäß den Anweisungen des Herstellers in die Mitte des Rohres ein. Verwenden Sie die anderen beiden Schleifen ohne Stent als Steuerelement. Füllen Sie alle Schleifen mit Blut, wie in 2.2.10 beschrieben. Drehen Sie die Drehzahl auf 30 Umdrehungen und drehen Sie sie um 3 h. Temperaturregelung Zu jeder Zeit während der Dauer und wenn die Rotation gestoppt wird, wird die Temperatur des Blutes in den Schleifen durch das Thermometer innerhalb der Temperaturregelschleife angezeigt. Um die Temperatur abzulesen, stoppen Sie die Drehung und lesen Sie sofort die vom Thermometer angegebene Temperatur ab. 3. Blutprobenverarbeitung Nach der Drehung lassen Sie die Schleifen 2 min in einer aufwärts gerichteten Position im Rack stehen, um das Blut an der Unterseite der Schleifen ansammeln zu lassen, um ein Verschütten beim Öffnen der Schleifen zu vermeiden. Untersuchen Sie das zurückgelassene Blut auf statische Zustände: Wenn dieses Blut koaguliert wird, wird letztlich eine unsachgemäße Heparinisierung vermutet. Wiederholen Sie in diesem Fall das Experiment vorzugsweise auch mit einem anderen Blutspender. Nehmen Sie vorsichtig die Schlaufen aus dem Rack. Öffnen Sie die Anschlüsse und lassen Sie das Blut in einen 10 ml Glasbecher fließen. Bündeln Sie das Blut aus den Röhren, die in Duplikaten ausgeführt werden. Zeichnen Sie frisches Blut für die Basisanalyse von demselben Spender wie in 1.5 und 1.6 beschrieben. Entnahme von Natriumcitratblut Für die Entnahme von Natriumcitratblut vier 1,5 ml-Röhrchen mit jeweils 111 L Natriumcitratlösung aus Natriumcitratröhren füllen, um eine Endkonzentration von 3,2 % Natriumcitrat zu erzeugen. Füllen Sie jede Röhre mit 1 ml Blut aus den Glasbechern, wie in 1.6 und 3.3 beschrieben. Halten Sie das Blut bei Raumtemperatur und verwenden Sie dieses Blut für FACS-Analysen, wie in 12 beschrieben.ANMERKUNG: Um die Länge der Schleifen für verschiedene Versuchseinstellungen zu ändern, planen Sie Aliquots ordnungsgemäß basierend auf der Menge der durchzuführenden Messungen. Es kann notwendig sein, alle erforderlichen Messungen mit frischem Blut vor den realen Experimenten zu erstellen, um sicherzustellen, dass das Blutvolumen in den Schleifen für alle Messungen ausreicht. Entnahme von Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA) Blut- und Plasmaproben. Aus jedem Glasbecher mit Blut (siehe 1.6 und 3.3) 4,5 ml Blut in eine 5 ml EDTA-Röhre geben. Füllen Sie zwei EDTA-Röhrchen aus jedem 10 ml Glasbecher mit Blut. Mischen Sie das Blut vorsichtig und halten Sie es auf Eis. Übertragen Sie 2 ml Blut in ein 2 ml Sperrzentrifugationsröhrchen und verwenden Sie dieses Blut für die Blutzellzahl und freie Hämoglobinmessung, wie in 5 beschrieben. Und 6. Zentrifugieren Sie das restliche Blut bei 3.500 x g für 20 min. Das Plasma im Überstand vorsichtig in 500 L Aliquots sammeln und sofort bei -80 °C einfrieren. 4. Rasterelektronenmikroskopie und CT-Bilder Nach der Blutprobenverarbeitung die geleerten Schlaufen, wie in 2.3 beschrieben, mit jeweils 10 ml Phosphat-gepufferter Saline (PBS) ausspülen. Schneiden Sie vorsichtig eine 1 cm lange Probe von jedem Ende jedes Rohres mit einem Skalpell ab. Inkubationsprobe über Nacht bei 4 °C in einer 2%igen Glutaraldehydlösung inkubieren.VORSICHT: Das Einatmen von Aldehyddämpfen kann Nasensymptome wie eine laufende Nasenerz-Anhaltende Verstopfung und Atemwegsreizungen verursachen, und der Kontakt mit der Haut verursacht Dermatitis. Aldehyde sollten in einer Dunstabzugshaube behandelt werden, während sie Handschuhe, ein Schutzkleid und eine Schutzbrille tragen. Spülen Sie die Probe (3 mal) mit PBS. Bereiten Sie eine 1%ige Lösung von Osmiumtetroxid (OsO4) in entionisiertem Wasser vor und inkubieren Sie die Probe 15 min bei Raumtemperatur.VORSICHT: OsO4 ist ein starkes Oxidationsmittel, es kann durch Lichteinwirkung reduziert werden. Um die Reduktion während der Zubereitung zu vermeiden, lagern Sie OsO4 in einer braunen Glasflasche. OsO4 ist extrem flüchtig, seine Dämpfe sind giftig für Augen, Nase und Rachen. Arbeiten Sie immer unter einer Dunstabzugshaube und verwenden Sie Handschuhe und schützen Sie Kleidung, um sicherzustellen, dass kein Teil des Körpers OsO4ausgesetzt ist. Wenden Sie sich an die Richtlinien Ihrer Institution für den Umgang mit abfallentsorgung und -lagerung. Im Allgemeinen ist OsO4 für mehrere Monate lagerfähig, aber es braucht spezielle Glasflaschen mit Teflon-Liner und einem Trockenhaus, da OsO4 innenliegende Oberflächen und Denkinhalt des Kühlschranks in Gegenwart von undichten Dämpfen verfärben kann. Proben herausnehmen, in neue 15 ml Zentrifugenrohre übertragen und Proben 3 Mal mit PBS ausspülen. Bereiten Sie eine Reihe von Ethanol mit unterschiedlichen Konzentrationen (25%, 50%, 75%, 95%, 100%) Proben in Ethanol dehydrieren: in 25%, 50%, 75% und 90 min und 30 min in 100% inkubieren. Nehmen Sie Proben aus 100% Ethanol und lassen Sie es über Nacht bei Raumtemperatur trocknen. Untersuchen Sie Proben im Rasterelektronenmikroskop bei einer Beschleunigungsspannung von 5 kV und mit dem Röntgen-CT-Scanner. 5. Blutzellzahl Nehmen Sie 2 ml des EDTA-Blutes gemäß 3.7.3 Setzen Sie das Rohr in den automatisierten Hämatologieanalysator ein und folgen Sie den Anweisungen des Herstellers. 6. Messung des freien Hämoglobins (fHb) im Plasma Eine Plasmaprobe aus jeder unter 3.7.5 beschriebenen Bedingung auftauen. Nach dem Auftauen auf Eis aufbewahren.HINWEIS: Tauen Sie gefrorene Plasmaproben in einem Wasserbad immer bei 37 °C und übertragen Sie sofort auf Eis, das etwas Wasser enthält, um die Temperatur zu senken. Dies ist wichtig, um die Aktivierung der Blutbestandteile beim Auftauen zu vermeiden. Verwenden Sie das fHb-Reagenz und befolgen Sie die Anweisungen des Herstellers. Kontamination nach dem Öffnen vermeiden und das Reagenz vor direktem Licht (Sonne, UV-Licht) schützen. Verwenden Sie ein Pipettierschema (siehe Herstelleranleitung) mit 1:5 Verdünnung. 1000 l des Hämoglobinreagenzes in eine 1,6 ml Halbmikroküvette geben. Verwenden Sie diese Küvette, um den leeren Wert zu bestimmen. Fügen Sie 1000 l des Hämoglobin-Reagenzes und 250 l der Plasmaprobe in eine andere Semi-Mikro-Küvette ein. Mischen Sie den Inhalt in beiden Küvetten, indem Sie die Pipette gründlich spülen, indem Sie sie wiederholt mit Reaktionsgemisch füllen, und mindestens 3 min bei Raumtemperatur inkubieren. Bestimmen Sie das Aussterben (E) der Probe gegen fHb-Reagenz als leeres Reagenz. Berechnen Sie die fHb-Konzentration (mmol/l) der Probe: E540-E680 x 0.452. 7. Messung des FPA Eine Plasmaprobe aus jeder unter 3.7.5 beschriebenen Bedingung auftauen und nach dem Auftauen auf Eis lagern. Verwenden Sie das FPA Elisa Kit und folgen Sie den Anweisungen des Herstellers. 8. Messung von sC5b9 Eine Plasmaprobe aus jeder unter 3.7.5 beschriebenen Bedingung auftauen und nach dem Auftauen auf Eis lagern. Verwenden Sie das sC5b-9 ELISA-Kit und befolgen Sie die Anweisungen des Herstellers. 9. Messung von PMN Eine Plasmaprobe aus jeder unter 3.7.5 beschriebenen Bedingung auftauen und nach dem Auftauen auf Eis lagern. Verwenden Sie das PMN-Elastase ELISA Kit und folgen Sie den Anweisungen des Herstellers. 10. Messung von TNF Mikroplatten müssen einen Tag vor dem Ausführen des ELISA beschichtet werden. Zur Beschichtung alle Bohrungen mit einer Capture-Antikörperlösung von 100 l aufnehmen, versiegeln und über Nacht bei 2 °C-8 °C inkubieren. Eine Plasmaprobe aus jeder unter 3.7.5 beschriebenen Bedingung auftauen. Nach dem Auftauen auf Eis aufbewahren. Verwenden Sie das TNF ELISA-Kit und befolgen Sie die Anweisungen des Herstellers. 11. Messung von IL-6 Mikroplatten müssen einen Tag vor dem Experiment mit Aufnahmeantikörpern beschichtet werden. Zur Beschichtung 100 l Aufnahme-Antikörperlösung in alle Mitbohrungen der Mikroplatte geben, die mit dem Set, der Dichtungsplatte versehen und über Nacht bei 4 °C inkubiert werden. Tauen Sie eine Plasmaprobe aus jeder Bedingung erhalten, wie in 3.7.5 beschrieben. und nach dem Auftauen auf Eis aufbewahren. Verwenden Sie das IL-6 ELISA-Kit und befolgen Sie die Anweisungen des Herstellers. 12. FACS-Analysen Bereiten Sie 500 ml FACS-Puffer vor, indem Sie 10 ml fetales Kalbsserum und 2 ml EDTA-Lösung (0,5 M) zu 488 ml 1x PBS hinzufügen. Der FACS-Puffer kann 4 Wochen bei 4°C gelagert werden. Verwenden Sie für jedes Färbungsverfahren 100 l des Natriumcitratbluts (siehe 3.6.3) (Monozytenthromboletaggregate (MPA), Thrombozytenaktivierung (PA), Leukozytenintegrine (LI)). Pipette 100 l Blut aus jeder Probe in ein 5 ml FACS-Rohr. Aus jeder Probe 3 Tuben für die Antikörperfärbung und Etikettierung mit MPA (Monozytenthrombolet-Aggregate) Panel, PA (Thrombozytenaggregate) Panel und LI (Leukozyten-Integrin) Panel vorbereiten. Mischen Sie den Rest der 4 Proben in einem 5 ml FACS-Rohr. Verwenden Sie diese Mischung für ungefärbte und Fluoreszenz minus eins (FMO) Kontrollen. Bereiten Sie 6 FACS-Röhrchen vor, indem Sie 100 l des gemischten Probenbluts in jede Röhre einleiten. Etikettieren Sie 3 Röhren als ungefärbt und 3 Röhren wie FMO-CD41, FMO-CD62P und FMO-CD162. Fügen Sie 100 l 4% Paraformaldehydlösung hinzu und brüten sie 15 min im Dunkeln bei Raumtemperatur.VORSICHT: Paraformaldehyd ist giftig für Haut und Augen. Es kann schwere Lungenreizungen beim Einatmen verursachen und kann nach längerer Exposition zu Lungenschäden führen. Darüber hinaus wird es als krebserregend und als Fortpflanzungsgift eingestuft. Tragen Sie immer Handschuhe und Schutzbrille nen und arbeiten Sie unter der Dunstabzugshaube. Fügen Sie 1 ml Waschpuffer in jedes Rohr und Zentrifuge bei 287 x g für 5 min. Entsorgen Sie den Überstand und wiederholen Sie den Waschschritt zweimal. Bei roter Blutkörperchen (RBC)-Lyse 1 ml 1x Puffer RBC-Lysepuffer (verdünnt 10x RBC-Lysepuffer in entionisiertem Wasser), durch langsames Pipetieren nach oben und unten mischen und 5 min bei RT im Dunkeln brüten. Bereiten Sie Kompensationsperlen für einzelne Flecken vor. Zu 1 ml FACS Puffer fügen Sie 4 Tropfen von jeder positiven und negativen Perlen. Vortex gründlich und fügen Sie 100 L Perlen Lösung zu einem 5 ml FACS Rohr. Bereiten Sie 4 Tuben mit Perlen und Etikett als CD14-FITC, CD41-BV421, CD45-APC und CD62P-PE vor. Fügen Sie 1 ml FACS-Puffer in jedes Rohr und zentrifugieren bei 287 x g für 5 min. Überstand entsorgen und auf Eis halten. Nach rBC Lyse 1 ml FACS-Puffer zu jedem Rohr hinzufügen und waschen, wie in 12.7 beschrieben. Entsorgen Sie Überstand. Antikörpercocktails zubereiten: MPA-Panel: Fügen Sie 4 L CD45-APC, 4 l CD14-FITC und 4 l CD41-BV421 bis 388 L FACS-Puffer hinzu. PA-Panel: Fügen Sie 1,6 l CD41-BV421 und 12 l CD62P-PE zu 386,4 l FACS-Puffer hinzu. LI-Panel: Fügen Sie 4 L CD45-APC und 8 l CD162-BV421 bis 388 L FACS-Puffer hinzu. Auf Eis bleiben. Vorbereiten einzelner Flecken: Fügen Sie für CD14-FITC, CD41-BV421 und CD45-APC jeweils 0,5 l bis 499,5 L FACS-Puffer hinzu. Für CD62P-PE fügen Sie 0,3 l zu 499,7 L FACS-Puffer hinzu. Auf Eis bleiben. FMO-Steuerungen vorbereiten: (i) MPA-Panel (FMO-CD41): Fügen Sie dem 98-L-FACS-Puffer einen CD14-FITC-Antikörper und 1 L CD45-APC-Antikörper hinzu. ii) PA-Panel (FMO-CD62P): Fügen Sie 0,4 l CD41-BV421 bis 99,6 L DES FACS-Puffers hinzu. iii) LI-Panel (FMO-CD162): Fügen Sie 1 L CD45-APC zu 99 L FACS-Puffer hinzu. Halten Sie die FMO-Kontrollen auf Eis. Vortex-Antikörper-Cocktails und fügen Sie 100 l jedes Antikörpercocktails, wie in 12.12 zubereitet, zu jeder der jeweiligen beschrifteten Röhren (MPA-, PA- und LI-Panel) wie in 12.3 beschrieben und mischen Sie sanft durch Pipettieren nach oben und unten. Halten Sie auf RT im Dunkeln. Vortex Einzelfleck-Antikörperverdünnungen und fügen Sie 100 l der einzelnen Flecken-Antikörper-Verdünnungen, wie in 12.13 vorbereitet. zu jedem der jeweiligen beschrifteten Rohre mit Perlen wie in 12.7 beschrieben und sanft durch Pipettieren nach oben und unten mischen. Halten Sie auf RT im Dunkeln. Vortex FMO Antikörper-Cocktails und fügen Sie 100 l von jedem FMO-1-Antikörper-Cocktail, wie in 12.14 zubereitet. für die jeweiligen beschrifteten Rohre (FMO-Kontrollen) wie in 12.5 beschrieben. und mischen Sie sanft durch Pipettieren nach oben und unten. Halten Sie bei RT im Dunkeln. Inkubieren Sie alle Tuben mit Antikörperfärbung für 30 min bei RT im Dunkeln. Nehmen Sie die drei Rohre zur unbefleckten Kontrolle (siehe 12.4) und setzen Sie pellet in 250 l FACS-Puffer wieder auf. Auf Eis bleiben. Waschen Sie nach der Inkubationszeit alle Rohre außer ungefärbten Steuerungen einmalig mit FACS-Puffer, wie in 12.7 beschrieben. Resuspend Pellet in 250 L FACS Puffer und erfassen Daten über das Durchflusszytometer. Verwenden Sie ungefärbte Zellen für negative Einstellungen und Kompensationsmausperlen für positive Einstellungen in der FACS-Software. Verwenden Sie außerdem FMO, um die Gating-Strategie zu steuern, wobei FMO-CD41 im MPA-Panel verwendet wird, FMO-CD62P im PA-Panel und FMO-CD162 im LI-Panel verwendet wird. Erwerben Sie fast 0,5 x 106 – 0,25 x 106 Ereignisse pro Tube für FACS. Speichern Sie Daten und analysieren Sie mit einer Analysesoftware (Version 9.9.6).

Representative Results

Alle dargestellten Daten, mit Ausnahme von FACS-Plots, wurden mit einer Statistiksoftware analysiert. Die FACS-Plots wurden mit der Durchflusszytometrie-Software analysiert. Die Analyse der Blutkörperchenzahl zeigte keine signifikanten Unterschiede in Bezug auf Erythrozyten zwischen allen getesteten Bedingungen (Abbildung 2). Aber, Thrombozyten und Leukozyten wurden drastisch in der Latex-Gruppe reduziert, was auf eine sehr schlechte Biokompatibilität von Latex. Dies wird durch erhöhte Konzentrationen von freiem Hämoglobin in der Latexgruppe noch verstärkt, was darauf hindeutet, dass außer der Latexgruppe keines der anderen Gefäßgeräte oder -bedingungen zu einer umfangreichen Hämolyse führte (Abbildung 2). Darüber hinaus führten die beschichteten PVC-Rohre, PolyPVC und HepPVC sowie der getestete Stent nicht zu Thrombose mittels Thrombozyten- und Leukozytenverlust, während Latex den höchsten Thrombozyten- und Leukozytenverlust aufwies, gefolgt von unbeschichteten PVC-Rohren, die einen abgenommenen Trend aufwiesen. Während alle getesteten Gefäßgeräte zu einer erhöhten Aktivierung des Gerinnungssystems (FPA) und der Komplementkomponente (sC5b-9) führten, zeigten die HepPVC-Schleifen einen Trend zu einem Rückgang der FPA- und sC5b-9-Werte im Vergleich speziell zu PolyPVC-Schleifen (Abbildung 3). Interessanterweise zeigten unbeschichtete PVC- und Gap-Schleifen niedrigere FPA-Werte im Vergleich zu PolyPVC, erreichten jedoch nicht das Niveau der statistischen Signifikanz. Dennoch wiesen Latexschleifen im Vergleich zu Ausgangs- und statischen Bedingungen deutlich erhöhte FPA-Werte auf. In Übereinstimmung mit den Blutkörperchen der Vollblutzellen wiesen Latexschleifen die höchsten Konzentrationen von TNF, IL-6 und PMN-Elastase auf (Abbildung 4), und erreichten im Vergleich zu den übrigen Gruppen im Vergleich zu TNF und IL-6 (Abbildung 4A,B) die höchsten Werte, während die statischen und basisgemäßen Bedingungen in Bezug auf DIE PMN-Elastase (Abbildung 4C) erreichten. Diese Ergebnisse deuten auf die starke Aktivierung von Leukozyten durch Latex hin. Die Ausgangswerte der Aktivierungsmarker waren immer mit statischen Bedingungen vergleichbar, was auf eine richtige Heparinisierung des Blutes hindeutet. Interessanterweise wurde gezeigt, dass die Thrombozyten- und Leukozytenzahl für lückeninduzierte Schleifen bei mäßiger Aktivierung des Koagulatoriumssystems (FPA) und der Leukozyten (PMN-Elastase) nur geringfügig reduziert wurde, obwohl unsachgemäßer Schleifenverschluss mit resultierenden Strömungsturbulenzen und Blutkontakt zur unbeschichteten, rauen Schnittfläche zu makroskopisch sichtbaren Gerinnungen am Spleiß führte (Abbildung 1F). Die Gerinnsel und ihre Verteilung über die gesamte Spleißfläche waren mit den Bildern von ‘CT’ und SEM offensichtlich, während kein Gerinnsel gefunden wurde, wenn die Schleifen geschlossen wurden, wobei die externe Schließvorrichtung keine Lücke zwischen den Schleifenenden hinterließ(Abbildung 5). Die zytometrische Analyse von Wirtsblutzellen, die mit Thrombozyten-spezifischen Markern, CD41 und Thrombozytenaktivierungsmarker CD62P gefärbt wurden, sind in Abbildung 6A,Bdargestellt. Hier zeigten die Latexröhren eine extrem hohe mediane Fluoreszenzintensität (MFI) für CD62P auf Blutplättchen, gefolgt von Stent, während Heparin-beschichtete PolyPVC-Röhren eine minimale Aktivierung von Thrombozyten zeigten, die die antithrombogene Eigenschaft von PolyPVC-Röhren darstellten. Darüber hinaus wurden Leukozyten auf der Grundlage der CD45- und SSC-basierten Granularität (Side Scatter) in (i) Granulozyten eingeteilt; ii) Monozyten und iii) Lymphozyten (Abbildung 7), und die Expression von CD162+ Integrin wurde bei jeder Subpopulation von Leukozyten nachgewiesen, von denen bekannt ist, dass sie mit dem CD62P auf den Thrombozyten interagieren24. Es wurde festgestellt, dass die Integrin-Ausdrücke auf Granulozyten und Lymphozyten in Latexschleifen drastisch reduziert wurden. Dieses Ergebnis entsprach den abgesenkten Gesamtfrequenzen von Leukozyten in den Latexschleifen (Abbildung 2). Im Allgemeinen waren die Integrinspiegel bei Monozyten höher als bei Granulozyten und Lymphozyten, was auf die Wahrscheinlichkeit der Monozyten-Wechselwirkung mit aktivierten Thrombozyten hindeutet. In diesem Zusammenhang wurden Monozytenplättchenaggregate auch durch Färbung der Blutzellen mit CD14 (als Monozytenmarker) und CD41 (als Thrombozytenmarker) bewertet und letztlich doppelpositive Zellen identifiziert, d.h. CD14+CD41+MPA (Abbildung 8). Hier stellten wir fest, dass die Stentgruppe die höchsten Konzentrationen von CD41-Expression auf dem MPA aufwies, gefolgt von der Latexgruppe, was auf eine erhöhte Tendenz zur Bildung von MPA hindeutet, trotz der reduzierten Häufigkeit von Monozyten (<1 %) in den Latexschleifen. Abbildung 1: Übersicht über das in vitro hämodynamische Schleifenmodell und seine Änderungen. (A) Schleife für das Lückenexperiment mit externem Schleifenschließsystem, sodass keine Lücke am Spleiß eingplatzt. (B) Schleife aus polyPVC beschichtetem PVC-Rohr und Stent innen (Pfeil). (C) Schleife aus Latexrohr. (D) Schleife für das Lückenexperiment ohne das externe Schleifenschließsystem, das eine Lücke zwischen den Rohrenden (Pfeil) hinterlässt. (E) Schleifen in der Schlaufe Wiege im Wasserbad platziert und mit Blut gefüllt. (F) Thrombus, der nach der Drehung zu einem Spalt am Spleiß (Pfeil) führt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 2: Ergebnisse für blutzellige Anzahl und Plasmahämoglobin. (A) Erythrozyten zählen. (B) Thrombozyten zählen. (F) Leukozyten zählen. (D) Freies Plasmahämoglobin. Die Ergebnisse deuten auf die schlechte Biokompatibilität von Latex hin, was zu einer übermäßigen Hämolyse führt. Die Daten werden als Mittelwert dargestellt. Fehlerbalken zeigen SEM. n=1 an. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 3: Ergebnisse für die Aktivierung des Gerinnungs- und Ergänzungssystems. (A) Aktivierung des Koagulationssystems, gemessen anhand von Fibrinopeptid A (FPA) (B) Komplementsystemaktivierung, gemessen anhand von SC5b-9-Werten. Während Latexröhren signifikante erhöhte Konzentrationen des FPA hervorriefen, war die Komplementaktivierung für alle getesteten Materialien stark. Die Daten werden als Mittelwert dargestellt, Fehlerbalken geben SEM an. *p<0.05, n=1. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 4: Leukozyten-Aktivierungsmarker. (A) Tumornekrosefaktor alpha (TNF). (B) Interleukin 6 (IL-6) (C) PMN Elastase. Die Ergebnisse deuten auf eine erhöhte Aktivierung von Leukozyten aufgrund erhöhter Konzentrationen der analysierten Marker hin, gefolgt von Stentschleifen, die nur zu erhöhten Konzentrationen für PMN-Elastase führten, aber nicht tNF oder IL-6. Die Daten werden als Mittelwert dargestellt, Fehlerbalken geben SEM an. *p<0.5; **p<0.01, n=1. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 5: Abbildung des Spleißes der Schleifen. (A) μ-Computer-Tomographie (CT) von Schleifen mit unsachgemäßem Schließen (Lücke). Die roten Bereiche weisen auf Thrombusmaterial hin. (B) Rendering der Luminalseite des Rohres. Die rechteckige Auswahl gibt den Bereich für die Rasterelektronenmikroskopie (SEM) an (C). (D) CT von Schleifen mit externer Schleifenverschlussvorrichtung und ohne Spalt am Spleiß, und (E) Rendering und Ansicht der Luminaloberfläche. Es wurde kein Thrombusmaterial gefunden. (F) SEM-Bild der rechteckigen Auswahl in (E). Auf der Schnittfläche wurde kein Thrombusmaterial gefunden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 6: FACS-Plot zur Thrombozytenaktivierung (CD62P). (A) Repräsentatives FACS-Diagramm (Grundzustand) mit der Blut-CD41+ Blutplättchen. (B) Grafik, die den Thrombozytenaktivierungsstatus zeigt, der durch die mittlere Fluoreszenzintensität (MFI) der verschiedenen Arten von Gefäßgeräten im Vergleich zu den statischen RT- und Ausgangsbedingungen reflektiert wird. Die Datenbalken stellen Daten aus einzelnen Messungen dar. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 7: FACS-Plot für Leukozytenintegrin (CD162). (A) Repräsentatives FACS-Diagramm (Grundbedingung) zeigt die Blut-CD45+ Leukozyten und Untergruppen (B) Schaubild zeigt die Leukozyten-CD162+ Integrin-Mittelfluoreszenzintensität (MFI) der verschiedenen Arten von Gefäßgeräten im Vergleich zu den statischen und Basisbedingungen. Die Datenbalken stellen Daten aus einzelnen Messungen dar. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 8: FACS-Plot für Thrombozytenmonozytenaggregate (CD41/CD14). (A) Repräsentatives FACS-Diagramm (Grundbedingung) zeigt die Gating für Blutmonozyten (CD45+/CD14+), Thrombozyten (CD41+) und Monozytenplättchenaggregate (CD41+/CD14+) (B) Schaubild, das die CD41+ mittlere Fluoreszenzintensität (MFI) auf Monozytenthromboletaggregaten für die verschiedenen Gefäßgeräte im Vergleich zu den statischen und Ausgangsbedingungen zeigt. Die Datenbalken stellen Daten aus einzelnen Messungen dar. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Discussion

Diese Studie hat gezeigt, dass das vorgestellte in vitro hämodynamische Schleifenmodell eine zuverlässige Methode zur Prüfung der In-vitro-Blutverträglichkeit von Medizinprodukten gemäß der ISO 10993-4-Norm bietet.

Kritische Schritte im Protokoll sind das Ziehen von Blut und das Füllen der Tuben mit Blut, wo übermäßiges Vakuum oder Rührung vermieden werden sollte, um die Aktivierung der Blutbestandteile durch das Handhabungsverfahren zu verhindern. Darüber hinaus ist es sehr wichtig, die Plasmaproben sofort einzufrieren und nach dem Auftauen auf Eis zu halten, da die Aktivierung des Komplement- und Gerinnungssystems manipuliert werden kann, indem die Proben länger auf Raumtemperatur gehalten werden.

Da dieses Modell im Vergleich zu anderen In-vitro-Modellen sowohl Verdienste als auch Schwächen hat, müssen bei der Gestaltung der Experimente mehrere Faktoren berücksichtigt werden.

Zunächst können die Schleifen in Länge und Durchmesser variiert werden, um verschiedene Versuchseinrichtungen anzupassen. Falls das Setup kontrastierende Rohre mit unterschiedlichen Innendurchmessern enthält, ist zu beachten, dass die Durchmesserunterschiede zu unterschiedlichen Scherkräften führen, wodurch sich die Gerinnung und Komplementkaskade 7 auf die Gerinnung und Ergänzungskaskade7auswirken. Zweitens wurde die Drehzahl in diesem Experiment auf 30 Umdrehungen pro Minute festgelegt. Dies führt zu einem Blutfluss von ca. 25 cm/s, der mit der Durchblutungsgeschwindigkeit in menschlichen koronaren Bypasstransplantaten25vergleichbar ist. Die Dehnungsrate, die durch die Rotation der Schleifen erzeugt wird, ist der wichtigste Parameter, der biochemische Kaskaden von Blutbestandteilen, einschließlich Zellen und zellfreien Proteinen, initiieren wird. Da es sich bei Blut um eine nicht-Newtonsche Flüssigkeit handelt, wird die Dehnungsrate auch durch die Rohrkrümmung bzw. die Länge der Röhren beeinflusst, die zu Schleifen10geschlossen sind. Wenn die Rotationsgeschwindigkeit oder Schleifengröße geändert wird, ist es wichtig zu berücksichtigen, dass die Korrelation zwischen Dehnungsrate und Rotationsgeschwindigkeit nicht linear ist. Die Korrelation zwischen Rotationsgeschwindigkeit und Dehnungsrate wird bis heute nicht ausreichend untersucht, und es sind weitere Studien erforderlich, um diese besonderen Parameter10,26,27zu untersuchen. Auf der Grundlage eines Modells für laminare Grenzschicht, des angegebenen Rohrdurchmessers von 5 mm und der Drehzahl von 25 cm/s eine grobe Schätzung der Wandscherspannung (WSS) würde Werte zwischen 2.20-22.00 pascal für einen Abstand von 1,00-0,01 mm zur Rohrwand anzeigen, wenn die Blutdichte auf 1060 kg*m-3 geschätzt wird und die kinetische Viskosität auf 0,0025 pascal*s28,29eingestellt ist. Interessanterweise zeigte auch eine detailliertere Rechneranalyse der Strömungsdynamik in der Krümmung menschlicher Herzkranzgefäße WSS-Werte von 11,33 bis 16,77 Pascal bei annähernd vergleichbaren Parametern für die Geschwindigkeit, Dichte und Viskosität des Blutes30.

Neben dieser Einschränkung ist das vorgestellte Schleifenmodell ein druckloses System, das die intravaskulären Blutdruckverhältnisse des menschlichen Gefäßsystems nicht imitiert.

Nächste wichtige Einschränkung ist, dass das Blut in Kontakt mit Luft innerhalb der Schleifen ist, was zusätzliche Störungen bringt. Ein solcher Blut-Luft-Kontakt wird durch zwei Parameter beeinflusst, die die Gasdurchlässigkeit der Schläuche und die Rückhaltung von Luft in den Schlaufen umfassen, während sie mit Blut gefüllt werden. Jedes Rohrmaterial besitzt eine bestimmte Gasdurchlässigkeit, die zu signifikanten Veränderungen der Gaskonzentrationen in den Rohren führen kann. Während einige Autoren sagen, dass die resultierende Wirkung der Gasdurchlässigkeit auf die Aktivierung von Blutbestandteilen unklar bleibt31, Ist bekannt, dass die Funktion der Blutkoagulatoren hochempfindlich auf eine pH-Verschiebung ist, die durchCO2-Diffusion verursacht werden kann32,33,34. Hier haben wir die Biokompatibilität von Blutperfusionsröhrchen unter Raumluftbedingungen getestet, vergleichbar mit klinischen Szenarien der extrakorporalen Blutperfusion. Für zukünftige Verbesserungen des vorgestellten Modells könnte die Inkubation des gesamten Modells in einemCO2-Inkubator und die Durchführung der PH-Validierung im Blut vor und nach der Inkubation nützlich sein, um dieses Modell weiter zu standardisieren.

Auch die Blut-Luft-Schnittstelle innerhalb der Schleifen kann zur Aktivierung von Plasmaproteinen und Zellfraktionen des Blutesführen 35,36. Die Walzenpumpen angetriebene Geräte ohne Luft in den Röhren können das Problem der Blut-Luft-Schnittstelle vermeiden, aber sie induzieren sicherlich Schäden an Blutzellen mit signifikanten erhöhten Hämoglobinspiegeln im Vergleich zum hier vorgestellten Schleifenmodell, und das Hämoglobin im Plasma kann die Empfindlichkeit der getesteten Analyten in ELISA16stören. In dieser Studie haben wir gezeigt, dass die hämolytische Wirkung des Schleifenmodells selbst minimal bleibt, während biokompatible Materialien wie Heparin-beschichtete PVC-Rohre verwendet werden. So verursacht das Modell einerseits keine übermäßigen Zellschäden im Vergleich zu pumpengetriebenen Modellen, andererseits aber plasmaproteine durch Blutluftkontakt induzieren. Bemerkenswert ist, dass van Oeveren et al. ein kugelventilbasiertes Schleifenmodell entwickelt haben, das Luft in den Schlaufen vermeidet16. Diese vielversprechende Alternative zum hier vorgestellten Loop-Modell kann das Problem der Blut-Luft-Schnittstelle überwinden, aber im Vergleich zum hier vorgestellten Modell ist die Thrombozytenhaftung für das kugelventilbasierte Schleifenmodell noch höher.

Hinsichtlich der statischen Steuerung ist zu beachten, dass sich Glas selbst als potenter Aktivator des Koagulationssystems37erwiesen hat. In der vorgestellten Einrichtung führte die Inkubation in einem Glasbecher (statische Kontrolle) jedoch nicht zu einer übermäßigen Aktivierung oder Aktivierung des Koagulatoriumssystems im Vergleich zu den Ausgangswerten direkt nach dem Ziehen des Blutes. Zusammenfassend kann es hilfreich sein, z.B. Polypropylenrohre zu verwenden, wenn die statische Steuerung einen hohen Aktivierungsgrad anzeigt.

Unabhängig davon, ob es sich um ein schleifenbasiertes oder ein pumpengetriebenes Modell handelt, fehlen diesen In-vitro-Modellen völlig die authentischen biologischen Wechselwirkungen, die hauptsächlich durch ein intaktes Endothel, eine ideale blutaufswirbierende Oberfläche, beigesteuert werden. Die Gründe für dieses Problem sind deutlicher, wenn ein medizinisches Gerät wie ein Stent getestet wird, was verschiedene Ergebnisse in Bezug auf Aktivierung und Plasmaproteine vermitteln könnte, während seiner Interaktion mit Blutbestandteilen in Gegenwart von Endothel. Dies erklärt sich als ein großer Nachteil aller diskutierten In-vitro-Systeme, die das Kreislaufsystem imitieren. Um dieses Problem zu überwinden, gewinnen daher neue mikrofluidische Systeme, die vollständig mit Endothel bedeckt sind, an großem Interesse, aber dennoch sind sie im Vergleich zum hier vorgestellten Schleifenmodell immer noch auf kleinere Blutmengen und minimale Durchflussratenbeschränkt 38,39

Daher kommen wir zu dem Schluss, dass das Chandler Loop-Modell nach wie vor ein robustes Modell für die Durchführung standardisierter Tests zur Blutbiokompatibilität von Gefäßmedizinprodukten im Bereich der kardiovaskulären Forschung ist.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Die Autoren danken Frau Elena Denks für ihre technische Unterstützung.

Materials

5 ml tube, K3 EDTA Sarstedt 32332
Anti-Mouse Ig, κ/Negative Control Compensation Particles Set Becton Dickinson BioSciences 552843
APC anti-human CD45 Antibody BioLegend 368512
BD LSR Fortessa II cell analyzer Becton Dickinson 647465
BD Vacutainer Citrate Tubes Becton Dickinson 369714
BD Vacutainer one-use holder Becton Dickinson 364815
BD Vacutainer Safety-Lok butterfly canula 21 G Becton Dickinson 367282
Beaker glass ROTILABO short 10 ml Carl Roth GmbH + Co. KG X686.1
Beaker glass ROTILABO short 50 ml Carl Roth GmbH + Co. KG X688.1
Brilliant Violet 421 anti-human CD162 Antibody BioLegend 328808
Brilliant Violet 421 anti-human CD41 Antibody BioLegend 303730
Centrifuge ROTINA 420 | 420 R Hettich Zentrifugen 4701 | 4706
Centrifuge tubes, 50 ml Greiner Bio-One GmbH 227261
CHC Super modified, 5mm PVC tubing Corline Sweden 1807-148 Referred to as hepPVC tube
Circular Precision Cutter ebo kunze industriedesign, Neuffen, Germany CLS 007-20
Closing Unit (complete with tension bands) ebo kunze industriedesign, Neuffen, Germany CLS 008-20
Electric tape Scotch Super 33+ VWR MMMA331933
ELISA MAX Deluxe Set Human IL-6 BioLegend 430504
ELISA MAX Deluxe Set Human TNF-a BioLegend 430204
Eppendorf Pipette Research plus, single channel, inkl. epT.I.P.S. box, 0,1 – 2,5 µL, gray Eppendorf AG 3123000012
Eppendorf Pipette Research plus, single channel, inkl. epT.I.P.S. box, 0,5 – 10 µL, gray Eppendorf AG 3123000020
Eppendorf Pipette Research plus, single channel, inkl. epT.I.P.S. box, 10 – 100 µL, yellow Eppendorf AG 3123000047
Eppendorf Pipette Research plus, single channel, inkl. epT.I.P.S. box, 100 – 1,000 µL, blue Eppendorf AG 3123000063
Eppendorf Pipette Research plus, single channel, inkl. epT.I.P.S. box, 20 – 200 µL, yellow Eppendorf AG 3123000055
Eppendorf Pipette Research plus, single channel, inkl. epT.I.P.S. sample bag, 0,5 – 5 mL, violet Eppendorf AG 3123000071
Ethylenediaminetetraacetic acid solution Sigma-Aldrich 03690-100ML
FACS tubes polystyrene 5.0 ml round bottom Corning BV 352052
Fetal bovine serum Gold Plus Bio-Sell FBS.GP.0500
FITC anti-human CD14 Antibody BioLegend 367116
Fluency plus stent 13.5 x 60 mm Angiomed GmbH & Co FVM14060
Free Hemoglobin fHb Reagent Bioanalytics GmbH 004001-0250
Gibco PBS Tablets Thermo Fisher Scientific 18912014
Gloves Vasco Nitril white L B. Braun Deutschland GmbH & Co.KG 9208437
Gloves Vasco Nitril white M B. Braun Deutschland GmbH & Co.KG 9208429
Glutaraldehyde 25% aequous solution Sigma Aldrich G6257-100ML
Heparin, 25.000 IE in 5 ml Rotexmedica, Trittau, Germany PZN 3862340
Human Fibrinopeptide A (FPA) ELISA Kit Hölzel Diagnostika abx253234
Kodan tincture forte colourless Schülke & Mayr GmbH 104012
Latex tube, ID 5 mm Laborhandel24 GmbH 305 0507
Loop Stand ebo kunze industriedesign, Neuffen, Germany CLS 009-20
Medimex venous tourniquet classic ROESER Medical GmbH 310005
Microplate reader Infinite 200 Pro M Plex Tecan TEC006418I
Microplate shaker PMS-1000i VWR 444-0041
Nalgene Metric non-phthalate PVC tubing, ID 5 mm VWR NALG8703-0508 Referred to as PVC tube
NexTemp (Standard) Single-Use Clinical Thermometer Medical Indicators 2112-20
Nunc MaxiSorp ELISA Plates, uncoated BioLegend 423501
Osmium tetroxide solution Fisher Scientific 10256970
Paraformaldehyde Solution, 4% in PBS Thermo Fisher Scientific AAJ19943K2
PE anti-human CD16Antibody BioLegend 302008
PE anti-human CD62P (P-Selectin) Antibody BioLegend 304906
Pipette controller, pipetus VWR 612-1874
Pipette tips epT.I.P.S. 0.2 – 5 ml OMNILAB-LABORZENTRUM GmbH & Co. KG 5186480
Pipette tips epT.I.P.S. standard 0,1 – 10µl Th. Geyer GmbH & Co. KG 9409410
Pipette tips epT.I.P.S. standard 2 – 200µl Th. Geyer GmbH & Co. KG 0030 000.870
Pipette tips epT.I.P.S. standard 50 – 1000µl blue Th. Geyer GmbH & Co. KG 0030 000.919
PMN (Neutrophil) Elastase Human ELISA Kit Fisher Scientific BMS269
Probe stand ROTILABO combi CARL ROTH K082.1
Rack for rotation unit (12 slots 3/8 '' with variable slot width) ebo kunze industriedesign, Neuffen, Germany CLS 011-20
RBC Lysis Buffer (10X) BioLegend 420301
Reagent reservoirs VWR 613-1184
Rotation Unit ebo kunze industriedesign, Neuffen, Germany CLS 010-20
Safe-Lock micro test tubes 0.5 ml OMNILAB-LABORZENTRUM GmbH & Co. KG 5409320
Safe-Lock micro test tubes 1.5 ml OMNILAB-LABORZENTRUM GmbH & Co. KG 5409331
sc5b9 Human ELISA KIT TECOmedicalGroup A029
Scalpel no 10 Fisher Scientific NC9999403
Scanning electron microscope XL30 ESEM-FEG Philips n.a.
Screw top bottle ROTILABO Clear glass, 1000 ml, GL 45 Carl Roth GmbH + Co. KG X715.1
Screw top bottle ROTILABO Clear glass, 500 ml, GL 45 Carl Roth GmbH + Co. KG X714.1
Semi-micro cuvette 1.6 ml Sarstedt 67.746
Serological pipette 10.0 ml Corning BV 4488
Serological pipette, 25.0 ml Corning BV 4489
Serological pipette, 5.0 ml Corning BV 4487
Silicon tube, inner diameter 8 mm, outer diameter 12 mm VWR BURK8803-0812
Sprout mini centrifuge Biozym 552034
Stop Solution for TMB Substrate BioLegend 77316
Swabs, sterile Fuhrmann GmbH 32055
Syringe, 10 ml Becton Dickinson 300296
Temperature controlled water basin ebo kunze industriedesign, Neuffen, Germany CLS 020-20
tert-Butanol, 99.5%, extra pure, ACROS Organics Fisher Scientific 10000730
TMB Substrate Set BioLegend 421101
Trillium PVC tube, 5 mm ID Medtronic 161100107100103 Referred to as polyPVC tube
Tween 20 AppliChem A4974,0250
UV-Vis Spektrometer Lambda 2 Perkin Elmer 33539
Vornado Mini Vortexer Biozym 55BV101-B-E
XN-3000 workstation blood analyzer Sysmex Europe n.a.
μ-CT Phoenix Nanotom S GE Sensing & Inspection, Wunstorf, Germany n.a.
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Wacker, M., Betke, U., Borucki, K., Hülsmann, J., Awad, G., Varghese, S., Scherner, M., Hansen, M., Wippermann, J., Veluswamy, P. An In Vitro Hemodynamic Loop Model to Investigate the Hemocytocompatibility and Host Cell Activation of Vascular Medical Devices. J. Vis. Exp. (162), e61570, doi:10.3791/61570 (2020).
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