休斯顿 - (2019年8月5日) - 纸张是莱斯大学生物工程师研究心脏病的实验装置的核心。

他们正在使用纸质结构，模仿主动脉瓣的分层性质，这是一种坚韧，柔韧的组织，只能使血液在一个方向上流过心脏。这些设备使工程师能够详细研究钙化疾病如何减慢或阻止心脏功能。

布朗工程学院团队在Acta Biomaterialia中详细介绍的工作表明，胶原蛋白1是一种天然蛋白质，是纤维细胞外基质的一个组成部分，当它在通常的区域之外被发现时，似乎与钙化有很强的关联性。 。由钙沉积物硬化的阀门柔韧性较差，并且失去了密封心脏腔室的能力。

“当组织产生大量过量的1型胶原蛋白时，它被称为纤维化，”Rice生物工程师Jane Grande-Allen说，他与Rice研究生和主要作者Madeline Monroe一起负责这项研究。“纤维化可能发生在许多类型的组织中，并伴有钙化性主动脉瓣疾病(CAVD)。这并不一定意味着胶原蛋白总会导致CAVD，但它肯定会驱使我们培养的细胞中的钙化相关表型。”

胶原蛋白通常停留在瓣膜的纤维层中，构成主动脉瓣的三个小叶中的每一个中有三个。(其他层是海绵体和心室。)研究人员准备纸层以支持嵌入胶原蛋白或透明质酸中的心脏瓣膜细胞，并发现当胶原蛋白1蛋白存在于多个层中时，细胞的行为方式最终会导致矿化病变。

格兰德 - 艾伦说，健康主动脉瓣中的细胞外基质层是明确的。“在更加病态的状态下，胶原蛋白不会局部化，”她说。“它已经散开。我们的模型表明，非局部胶原蛋白可能导致这些钙化因子的细胞过度表达。”

赖斯的研究人员想知道这是怎么发生的。他们需要一种方法来了解瓣膜细胞如何通过三维组织对胶原蛋白的扩散作出反应，并且常见的滤纸结果证明是合适的替身。他们制造的东西看起来并不像心脏瓣膜，但有效地表现出细胞如何通过瓣膜层扩散。

心脏瓣膜疾病还不能用药丸治疗，Grande-Allen说，她在职业生涯的大部分时间研究了瓣膜病，并在2015年报告了纸质文化。目前的治疗方法通常包括用人或动物更换瓣膜供体组织或机械瓣膜。但是，精确建模和操纵阀门所有层的能力有助于破译心脏病的化学交易。她说，最终可能导致非侵入性药物治疗。

“第一步是开发模仿阀门中细胞行为的模型，”格兰德 - 艾伦说。“下一步将是看到它们实际钙化。一旦掌握，我们就可以开始测试阻止钙化过程的化学物质。”

Monroe与合着者和赖斯大学本科生Rebecca Nikonowicz以及校友Matthew Sapp的早期帮助，从哈佛大学用于研究肺癌细胞缺氧的细胞凝胶中滤纸文化中获取灵感。

莱斯实验室开始采用3D打印聚合物支架和孔阵列。它们保持了用蜡模浸渍的纸层，以消除滤纸的开放圆之间的串扰。然后用纤维胶原蛋白1，透明质酸(通常在海绵体层中发现)和数百万活的心脏细胞的各种组合使圆圈饱和，并将片材在支架内压在一起。

“这种建模系统使我们能够完全控制许多不同的变量，”Monroe说。“我们能够根据我们在每一层中放入的成分来创建具有不同成分的不同堆叠。我们有堆叠，其中所有层都是透明质酸，或所有胶原，或具有两种层的异质堆叠。

“这让我们看看当胶原蛋白层数量增加时，细胞是否表现不同，”她说。

Monroe通过分析他们表达的蛋白质标志物，特别是α平滑肌肌动蛋白(aSMA)，Runt相关转录因子-2(RunX2)和SRY-box 9(Sox9)来评估细胞随时间的行为，所有这些都是指标用于CAVD。使用高通量染色和扫描方法与井组使她能够快速收集来自数十个结构的数据。