Ferromagnétique Bare Metal Stent pour endothéliale capture de cellules et de la conservation

Résumé

Nos objectifs étaient de concevoir, fabriquer et tester stents ferromagnétiques pour la capture des cellules endothéliales. Dix stents ont été testés pour la fracture et 10 autres stents ont été testés pour le magnétisme retenu. Enfin, 10 stents ont été testés in vitro et 8 autres stents ont été implantés dans 4 porcs pour montrer capture et la conservation cellule.

Résumé

Endothélialisation rapide des endoprothèses vasculaires est nécessaire pour réduire la thrombose de stent et d'éviter la thérapie anti-plaquettaire qui peut réduire le risque de saignement. La faisabilité de l'utilisation des forces magnétiques pour capturer et conserver les cellules endothéliales excroissance (COE) marqués avec des nanoparticules d'oxyde de fer super-paramagnétiques (SPION) a été montré précédemment. Mais cette technique nécessite la mise au point d'un stent mécaniquement fonctionnelle à partir d'un matériau magnétique et biocompatible suivi par in-vitro et in-vivo des tests pour prouver endothélialisation rapide. Nous avons développé un stent faiblement ferromagnétique acier inoxydable duplex 2205 en utilisant conception assistée par ordinateur (CAD) et sa conception a été affinée en utilisant une analyse par éléments finis (FEA). La conception finale du stent présenté une déformation principale sous la limite de rupture du matériau pendant le sertissage mécanique et d'expansion. Une centaine de stents ont été fabriqués et un sous-ensemble d'entre eux a été utilisé pour les essais mécaniques, retained mesures de champ magnétique, des études in vitro de capture de cellules, in vivo et des études d'implantation. Dix stents ont été testés pour déploiement pour vérifier si elles soutenue sertissage et l'expansion du cycle sans défaillance. 10 autres ont été magnétisés stents utilisant un aimant de néodyme forte et leur champ magnétique retenu a été mesurée. Les stents ont montré que le magnétisme retenu était suffisante pour capturer SPION marqué EOC dans nos études de in vitro. Capture et la conservation des COE SPION marqué a été vérifiée dans les grands modèles animaux par l'implantation d'une endoprothèse magnétisé et 1 non-aimanté stent de contrôle dans chacun des 4 porcs. Les artères ont été explantées stentées après 7 jours et analysés histologiquement. Les stents faiblement magnétiques développés dans cette étude étaient capables d'attirer et de retenir les cellules endothéliales Spion marqué qui peut favoriser la guérison rapide.

Introduction

Patients implanted with vascular stents manufactured from thrombogenic materials like stainless steel, cobalt chromium, and platinum chromium – both bare metal stents (BMS) and drug eluting stents (DES) – need anti-platelet therapy to prevent thrombus formation. BMS heal rapidly, but are subject to late stage restenosis due to incomplete healing. DES require long term anti-platelet therapy due to delayed healing. Anti-platelet therapy administered to avoid thrombosis as a result of incomplete or delayed healing leads to increased bleeding risk and may not be suitable for certain patients^1,2. An ideal stent will heal completely and quickly thus avoiding long-term anti-platelet therapy and late stage restenosis. This complete healing can only be achieved if the stent is rapidly coated with a monolayer of endothelial cells after implantation. Coating the stents with biocompatible materials such as gold or other biopolymers has been shown to improve thrombo-resistance, but none of these techniques achieved ideal blood compatibility as may be possible by coating with endothelial cells^3,4.

A stent can be coated with endothelial cells post implantation by attracting circulating progenitor cells. This self-seeding technique can be achieved by utilizing ligands and antibodies. But this technique is limited by the low number of circulating endothelial progenitor cells. A promising strategy is to deliver cells directly to the stent immediately following implantation during a short period of blood flow occlusion^3,5. This strategy requires a technique for rapidly capturing cells and retaining them on the stent even after restoring blood flow. We have developed a technique in which a magnetic stent is used to attract and retain magnetically-labeled endothelial cells delivered post implantation. To achieve this, a functional BMS with sufficient magnetic properties to capture and retain magnetically-labeled endothelial cells is required⁶.

In this paper, we discuss the methods for designing, manufacturing, and testing a 2205 stainless steel stent. The stents were designed using CAD and FEA. The manufactured stents were magnetized using a neodymium magnet and the retained magnetic field was measured using a magneto-resistance microsensor probe. We then tested the stents for magnetically-labeled cell capture in a culture dish during our in-vitro experiments. Finally, the stents were tested in-vivo by implanting magnetic and non-magnetic stents in 4 pigs and histologically analyzing the stented arteries.

Protocole

Toutes les études sur les animaux ont été approuvées par le Comité d'utilisation institutionnel de protection des animaux et (IACUC) à la Clinique Mayo.

1. Conception et analyse d'un stent en acier inoxydable 2,205

1. Conception d'un stent en métal nu en utilisant CAD
   1. Faites un cylindre creux extrudé en sélectionnant sur option 'extrudé patron / de base »avec l'épaisseur de paroi égale à l'épaisseur de l'entretoise stent.
   2. Concevoir un modèle de stent sur un plan d'esquisse différents tangent au cylindre extrudé. Faire de la largeur du motif plat en fonction de la circonférence du cylindre creux extrudé.
   3. Transférer la conception de modèle à plat sur le cylindre creux en utilisant la fonction de rembobinage.
   4. Enregistrez la pièce dans son format natif et aussi en format ACIS être exportés pour être FEA.
2. Analyse par éléments finis pour les modèles de stent
   1. Importez la géométrie solide enregistrée au format ACIS dans le module de partie du logiciel de FEA pour d'autres analysest.
   2. Modèle 2 cylindres analytiques coaxiale au stent dans la partie modeleur du logiciel FEA. Le cylindre extérieur a un diamètre initial supérieur au diamètre du stent pour simuler la pince et le cylindre intérieur a un diamètre initial de 1 mm pour simuler un ballonnet de gonflage.
   3. Double-cliquez sur l'élément du modeleur de montage de l'arbre «instances» pour assembler le dessus dudit pièces dans des positions relatives.
   4. Utilisez le module de maillage du logiciel FEA, spécifier le type d'élément comme élément hexaédrique 20 nœuds avec intégration réduite, spécifier la taille de l'élément, et la maille du stent.
   5. Spécifiez paires de contact rigides friction entre le stent et les deux cylindres respectivement dans les «propriétés d'interaction» de l'arbre du modèle.
   6. Attribuer contrainte-déformation comportement élasto-plastique de l'acier inoxydable 2,205 pour le modèle de stent.
   7. Définir les conditions aux limites pour le sertissage d'une part le cylindre extérieur à 1 mm qui simule le cRimping du stent. Retirer le cylindre extérieur pour simuler la relaxation du stent serti. Développez le cylindre intérieur à 3 mm pour simuler l'expansion et enfin, retirer le cylindre intérieur pour simuler le recul du stent.
   8. Définir les paramètres de simulation, y compris le nombre de processeurs et la quantité de RAM alloués dans le 'Analyse' élément de modèle de l'arbre et exécuter la simulation.
   9. Une fois la simulation terminée, ouvrez le fichier de résultat (filename.odb) et post-traitement des résultats pour étudier les principales souches et itérative améliorer la conception de stent pour obtenir une souche principale de 20%, ce qui est inférieur à la limite de l'échec de la matière .

2. Stent fabrication et les essais pour le sertissage et expansion

1. Stent fabrication
   1. Obtenir les 2205 tubes en acier inoxydable par le forage des armes à feu et la précision bar à broyer la matière à une entreprise d'usinage de précision tels que l'action Precision Products dans Pioneer,OH.
   2. Transférer les tubes au sol de précision et la conception modèle de stent à plat pour une entreprise de stent coupe comme Laserage Technology Corporation à Waukegan, IL pour la coupe et le polissage électrolytique laser.
   3. Passiver la surface des stents en les immergeant électropoli dans un acide fort (HCl 50%) pendant 10 min, suivie par une base (10% de NaHCO ₃₎ pour un autre 10 min. ATTENTION: manipuler des produits chimiques avec un équipement de protection approprié et sous une hotte. Enfin, lavez les stents à l'alcool éthylique et de l'eau déminéralisée. Ce processus est appelé décapage à l'acide.
2. Essai de stent fabriqué pour le sertissage et l'expansion
   1. Sertir le stent sur un ballon à trois volets en utilisant une main tendue outil de sertissage. Tenez le stent et le ballon à trois volets dans l'outil de sertissage. Appuyez sur la poignée pour déformer radialement le stent à être sertie sur le ballon.
   2. Inspectez le stent serti en utilisant un microscope pour uniforme sertissage et aucun signe de défaillance de la structure en raisonà déformation plastique.
   3. Développer pour le diamètre de 3 mm conçu en pressurisant le ballon à trois volets avec de l'eau. Examiner les stents élargis pour les fractures microscopiques et l'expansion uniforme.

3. Caractérisation de stent pour le champ magnétique conservée

REMARQUE: aimant cylindrique de 2 pouces de diamètre et 1 pouce de hauteur a été utilisé dans cette étude. Les pôles de l'aimant sont alignés le long de l'axe. La densité de surface de flux magnétique de l'aimant est d'environ 1 T.

1. Magnétiser les stents diamétralement ou axialement l'aide d'un aimant néodyme forte. Tenez le stent à proximité de l'aimant puissant pour environ 1 min pour la magnétisation.
2. Maintenir l'extenseur sur l'une des faces plates avec son diamètre le long des lignes de champ magnétique d'être magnétisés diamétralement ou tenir le stent à côté de la surface cylindrique avec son axe le long des lignes de champ magnétique pour magnétiser axialement. Fiel magnétique retenuD du stent a été jugée stable pendant au moins 24 heures, mais utiliser le stent dès que possible après aimantation.
3. Montez les stents individuellement sur des mandrins de verre et puis montez les mandrins de verre dans le mandrin de précision de l'appareil de sondage magnétique. Sonde de microcapteurs magnétiques peut être positionné précisément à proximité du stent sans toucher la surface en utilisant la scène XYZ ensemble de l'appareil de sondage magnétique (Figure 4).
4. Mesurer la lecture de référence du micro magnétique loin du stent, puis mesurer le champ magnétique retenu à la surface de l'endoprothèse en positionnant la sonde en utilisant les stades XYZ de l'appareil de sondage magnétique.

4. Études cellule de capture magnétiques

1. Obtention de cellules, l'étiquetage avec SPION et coloration avec un colorant fluorescent
   1. Dériver les cellules endothéliales excroissance (COE) du sang périphérique porcine comme décrit dans ^5,7. Culture dans un flacon T-75 until environ 80% de confluence (5x10 ^{6 à} 8x10 ⁶ cellules).
   2. Synthétiser SPIONs que le diamètre de 10 nm de la magnétite (Fe _{3 O} 4) de noyau entouré par 50 nm d'épaisseur de poly (lactique-co-acide glycolique) (PLGA) comme décrit dans l'enveloppe ^8,9.
   3. Incuber les COE dérivé avec SPION à une concentration de 200 ug / ml de milieu de culture cellulaire de 16 h à 37 ^{o C.}
   4. Aspirer le milieu de culture cellulaire doucement. Laver avec précaution les cellules en ajoutant 10 ml d'une solution saline tamponnée au phosphate (PBS) dans le ballon, à bascule, et en aspirant le PBS.
   5. Colorer les cellules avec un colorant fluorescent (CM-Dil) pour visualiser lors des expériences. Ceci est réalisé selon les instructions du fabricant en ajoutant le colorant à 10 ml de milieu de culture cellulaire à une concentration de 5 ul / ml et l'incubation avec les cellules pendant 30 min à 37 ° C.
   6. Laver les cellules avec du PBS comme à l'étape 4.1.4 et incuber avec 3 ml de solution de trypsine-EDTA 0,25% pendant 5 minutes à 37 ° C etlever les cellules de la fiole.
   7. Transférer la suspension cellulaire à un tube conique de 15 ml, de haut avec du PBS, et centrifuger à 500 g pendant 5 min pour former un culot cellulaire.
   8. Remettre en suspension le culot cellulaire dans du PBS à une concentration de 1-2x10 ⁶ cellules / ml et bien mélanger par pipetage dans et hors du tube conique à plusieurs reprises.
2. Des études in vitro de cellules
   1. Concevoir et fabriquer (par exemple, l'impression 3D), un appareil simple pour tenir le stent juste au-dessus de la surface d'une lamelle de verre.
   2. Démagnétisez un stent à l'aide d'un démagnétiseur électromagnétique ou magnétiser un stent diamétralement ou axialement l'aide d'un aimant néodyme forte.
   3. Pipeter l'EOC de SPION marqué en suspension dans PBS dans le plat contenant les stents de contrôle axialement magnétisés ou diamétralement magnétisés ou non magnétisées. Image les stents avec EOC en suspension dans PBS immédiatement pour fluorescence à l'aide d'un microscope inversé à fluorescence.

5. Des études in vivo animaux

1. Implantation d'un stent
   1. Dessinez le sang périphérique à partir de 4 porcs Yorkshire sains - pesant environ 50 kg - 3 semaines avant l'implantation du stent, respectivement, et la culture COE comme décrit dans ^5,7.
   2. Administrer un médicament anti-plaquettaire à partir de 3 jours avant la chirurgie (aspirine 325 mg et clopidogrel 75 mg par jour).
   3. Le jour stent implantation, anesthésier les porcs avec intramusculaire Telazol, xylazine, et de l'atropine (5 / 2-3 / 0,05 mg / kg, respectivement) comme indiqué dans les soins des animaux et de l'utilisation des directives institutionnelles applicables.
   4. Intuber et placer le porc sur l'inhalation de 1-2,5% isoflurane.
   5. Rasez la région du cou ventrale du porc et de mener la procédure dans des conditions stériles générales.
   6. Implant 1 magnétisé et 1 stent non-aimanté dans l'artère coronaire droite (RCA) en utilisant la technique de cathétérisme cardiaque standard.
      1. Catheterisation des animaux doit être réalisée par un cardiologue interventionnel formés. Accéder à l'artère carotide droite avec une gaine 9 français.
      2. Cathétériser l'artère coronaire cible et d'injecter un colorant de contraste iodé pour obtenir des images de radioscopie.
      3. Placer un fil de guidage coronaire norme 0,014 pouce dans l'artère. Avancer le ballon et le stent en utilisant ce fil de guidage et de déployer le stent dans un vaisseau 3-3,5 mm de diamètre.
   7. Occlure le flux sanguin à l'intérieur de l'extrémité proximale de RCA les stents implantés au moyen d'un ballonnet sur ​​fil et d'environ 2x10 ⁶ fournir EOC autologues marquées avec SPION en suspension dans 4 ml de PBS par l'intermédiaire du cathéter central sur une période de 2 min.
   8. Restaurer le flux sanguin vers le RCA après 2 min d'occlusion supplémentaire.
   9. Transférer l'animal à la salle de récupération et de suivre de près l'animal jusqu'à ce qu'il a repris conscience.
   10. Continuer à administrer des médicaments anti-plaquettaire (aspirine 325 mg et clopidogrel 75 mg) après l'opération jusqu'au sacrifice.
2. Expiant stent et l'histologie
   1. Euthanasier les animaux 7 jours après la chirurgie par abord anesthésier l'animal comme expliqué précédemment, puis administrer par voie intraveineuse une dose létale de pentobarbital de sodium (100 mg / kg) que par le soin des animaux et de l'utilisation des directives institutionnelles applicables.
   2. Récolter chirurgicalement les segments artériels stentées. Fixer les artères explantées dans un tampon de formol à 10% pour un minimum de 30 min. Laissez les échantillons dans un tampon de formol pour une analyse ultérieure histologique.
   3. Externaliser l'échantillon fixe d'installations capables d'effectuer l'histologie avec les stents métalliques. Au cours de ce traitement, les échantillons sont incorporer dans le méthacrylate de méthyle, en coupe transversale, et analysés histologiquement en utilisant la technique de coloration de Mallory avec taches bleu de Prusse pour les particules de fer.

Résultats

Conception de stent itératif basé sur FEA (Figure 1) a montré un stent qui peut sertir et étendre avec une souche principale de 20%, ce qui est moins que la déformation à la rupture de 30%. Sertissage et l'essai d'expansion (figure 2) ne présentaient aucun signe de fracture. Photos du stent déformé ont montré une bonne entente avec déformations FEA calculés et aussi des photos microscopie montré aucune fracture (Figure 3). Comme on s'y att...

Discussion

Nous avons développé un stent magnétique qui peut fonctionner comme un stent en métal nu et peut attirer les cellules endothéliales Spion marqué. Dans des études précédentes impliquant des stents magnétiques, les chercheurs ont utilisé nickel stents actifs commerciaux et des bobines ou des mailles en matériaux magnétiques en raison de l'indisponibilité d'un stent ferromagnétique ^5,10-14. D'autres groupes ont également utilisé la nature paramagnétique disponibles dans le commerce ...

matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
2205 Stainless steel	Carpenter Technology Corporation		Round bar stock material
Abaqus	Dassault systems		Software
Atropine			Prescription drug.
Clopidogrel			Commercial name: Plavix. Prescription drug.
CM-DiI	Life Technologies	V-22888	Molecular Probes, Eugene, OR
Endothelial growth medium-2	Lonza	CC-3162
Hand Held Crimping tool	Blockwise engineering	M1-RMC
Hydrochloric acid (HCl)	Sigma Aldrich	MFCD00011324	CAUTION: wear proptective equipment and handle under fume hood
Isoflurane anesthesia	Piramal Critical Care, Inc.
Ethyl alcohol	Sigma Aldrich	MFCD00003568
NdFeB magnet 2" Dia x 1" thick	Amazing magnets	D1000P	Axially magnetized disc magnet with poles on flat faces
Over-The-Wire trifold balloon			Any commercially available OTW trifold balloon can be used
Phosphate buffered saline	Life Technologies	10010-023	Commonly known as PBS
Sodium Bicarbonate (NaHCO3)	Sigma Aldrich	MFCD00003528
Sodium pentobarbital	Zoetis		Commercial Name: Sleepaway (26%), FatalPlus, Beuthanasi.  Controlled substance to be ordered only by licensed veternarian
SolidWorks	Dassault systems		Software
SpinTJ-020 micro sensor	MicroMagneitcs Sensible Solutions		Long probe STJ-020 microsensor
SPION	Mayo Clinic		Nanoparticles synthesized internally (Ref: Lee, S. J. et al. Nanoparticles of magnetic ferric oxides encapsulated with poly(D,L latide-co-glycolide) and their applications to magnetic resonance imaging contrast agent. J Magn Magn Mater 272, 2432-2433, doi:DOI 10.1016/j.jmmm.2003.12.416 (2004))
Telazol	Zoetis		Controlled substance to be ordered only by licensed veternarian
Trypsin EDTA	Life Technologies	25200-056	Gibco, Grand Island, NY
Xylazine	Bayer Animal Health		Commercial name: Rompun. Controlled sunstance to be ordered only by a licensed veternarian