Papper är kärnan i en experimentell enhet utvecklad av Rice University bioingenjörer för att studera hjärtsjukdomar.

De använder pappersbaserade strukturer som efterliknar den skiktade naturen hos aortaklaffar, den tuffa, flexibla vävnader som håller blodet att flöda genom hjärtat endast i en riktning. Enheterna låter ingenjörerna studera i detalj hur förkalkade sjukdomar bromsar eller stoppar hjärtan från att fungera.

Arbetet av Brown School of Engineering -teamet, detaljerad i Acta Biomaterialia , visar att kollagen 1, ett naturligt protein och en del av klaffarnas fibrösa extracellulära matris, verkar ha en stark koppling till förkalkning när den hittas utanför sin vanliga domän. Klaffar härdade av kalciumavlagringar är mindre flexibla och förlorar sin förmåga att täta hjärtats kammare.

"När vävnader gör mycket överskott av typ 1 kollagen, det kallas fibros, "sa bioingenjören Jane Grande-Allen från Rice, som ledde studien med Rice -doktorand och huvudförfattare Madeline Monroe. "Fibros kan inträffa i många typer av vävnader och det åtföljer förkalkande aortaklaffsjukdom (CAVD). Det betyder inte nödvändigtvis att kollagen alltid kommer att orsaka CAVD, men det drev definitivt den förkalkningsbundna fenotypen i cellerna som vi odlade."

Kollagen stannar vanligtvis i klaffens fibrosalager, en av tre i var och en av de tre broschyrer som utgör en aortaklaff. (De andra lagren är spongiosa och ventricularis.) Forskarna förberedde papperslager för att stödja hjärtklaffceller inbäddade i antingen kollagen eller hyaluronan, och upptäckte att när kollagen 1-proteiner finns i flera lager, cellerna beter sig på ett sätt som i slutändan skulle leda till mineraliserade lesioner.

Grande-Allen sa att lagren av extracellulär matris i en frisk aortaklaff är väldefinierade. "I ett mer patologiskt tillstånd, kollagenet är inte lokaliserat, " sa hon. "Det är utspritt. Våra modeller tyder på att icke -lokaliserat kollagen kan bidra till cellöveruttryck av dessa förkalkande faktorer. "

Risforskarna vill veta hur det går till. De behövde ett sätt att se hur klaffceller skulle reagera på kollagen som sprids genom en tredimensionell vävnad, och vanligt filterpapper visade sig vara en lämplig stand-in. Det de gjorde ser inte ut som en hjärtklaff, men fungerar effektivt som en för att visa hur celler förökar sig genom en ventils lager.

Hjärtklaffssjukdom kan inte behandlas med ett piller ännu, sa Grande-Allen, som har studerat klaffsjukdom under en stor del av sin karriär och rapporterade om pappersbaserade kulturer 2015. Nuvarande botemedel innebär ofta att klaffen ersätts med donatorvävnad från människa eller djur eller en mekanisk klaff. Men förmågan att noggrant modellera och manipulera alla lager i en ventil kan hjälpa till att dechiffrera de kemiska transaktionerna vid hjärtsjukdomar. Hon sa att det så småningom kan leda till icke-invasiv medicinering.

"Det första steget har varit att utveckla modeller som efterliknar hur cellerna i ventiler beter sig, ", sa Grande-Allen. "Nästa steg skulle vara att se dem faktiskt förkalka. När det väl är i handen, vi kan börja testa kemikalier som skulle blockera den förkalkningsprocessen."

Monroe, med medförfattare och Rice-studenten Rebecca Nikonowicz och tidig hjälp från alumnen Matthew Sapp, hämtade inspiration från cells-in-gels-in-wells filterpapperskulturer som användes vid Harvard University för att studera hypoxi i lungcancerceller.

Rislabbet startades av 3D-utskriftspolymerhållare med hålrader. Dessa höll på plats lager av papper som hade impregnerats med ett vaxmönster för att eliminera överhörning mellan de öppna cirklarna av filterpapper. Cirklarna mättades sedan med olika kombinationer av fibröst kollagen 1, hyaluronan (finns normalt i spongiosaskiktet) och miljontals levande hjärtceller, och arken pressades samman inuti hållarna.

"Detta modelleringssystem ger oss fullständig kontroll över många olika variabler, ", sa Monroe. "Vi kunde skapa distinkta stackar med olika sammansättningar baserat på vilka komponenter vi lägger i varje lager. Vi hade högar där alla lager var hyaluronan, eller allt kollagen, eller heterogena staplar med båda typerna av lager.

"Det lät oss se om cellerna betedde sig annorlunda när det fanns en ökning av antalet kollagenlager, " Hon sa.

Monroe bedömde cellernas beteende över tid genom att analysera proteinmarkörerna de uttryckte, särskilt alfa glattmuskelaktin (aSMA), en Runt-relaterad transkriptionsfaktor-2 (RunX2) och SRY-box 9 (Sox9), som alla är indikatorer för CAVD. Genom att använda en höghastighetsfärgnings- och skanningsmetod med grupperna av brunnar kunde hon snabbt samla in data från dussintals strukturer.

Uppgifterna låter dem se att valvulära interstitialceller, den huvudsakliga och normalt stabila aortaklaffcelltypen, blev mer mottagliga för osteogenes – härdning – i närvaro av fler lager innehållande kollagenprotein.

"Pappersmodellen är genialisk för att ge oss den mångsidigheten och flexibiliteten, ", sa Grande-Allen. "Jag känner inte till en annan metod som så lätt låter oss sätta ihop olika lager enkelt, odla kombinationerna och sedan ta isär dem och analysera dem så snabbt."