Characterization of acute hypoxia device for ischemia studies
Suoranta, Jenna (2022)
Suoranta, Jenna
2022
Bioteknologian ja biolääketieteen tekniikan maisteriohjelma - Master's Programme in Biotechnology and Biomedical Engineering
Lääketieteen ja terveysteknologian tiedekunta - Faculty of Medicine and Health Technology
This publication is copyrighted. Only for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2022-04-19
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202203252764
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202203252764
Tiivistelmä
Despite major advances in medical therapy, ischemic heart disease (IHD) remains still the lead-ing cause of death worldwide. IHD occurs when an artery becomes narrowed or blocked pre-venting blood from reaching the heart. This creates an area of reduced tissue oxygen level, a hypoxic region, into the heart. Studying the effects of ischemia and IHD in vivo in humans is challenging due to a lack of non-invasive measuring technologies and therefore most of the studies are conducted on animal models and cell cultures. In studies with cell cultures, hypoxic conditions are commonly induced with commercial hypoxia incubators. These incubators how-ever have several issues including the long time that it takes to induce hypoxic conditions to the cell culture and the need of a hypoxic workstation in order to perform any analysis under hypoxia. To better demonstrate and study ischemia and ischemia-reperfusion (IR) there is a need for more advanced technologies.
In this master’s thesis a new technology overcoming the main issues with previously mentioned commercial hypoxia incubators is characterized. The acute hypoxia device is tested without cells by using partial oxygen pressure measurements, evaporation measurements and pH measurements. After that, multielectrode array (MEA) measurements and fluorescence imaging will are used to show the effects of acute hypoxia and hypoxia-reoxygenation in cardiomyo-cytes. With this new acute hypoxia device, the hypoxic conditions can be achieved within 15 minutes allowing demonstration of acute ischemia. The samples can be easily moved from a laboratory to another without interrupting the hypoxic conditions. This technology allows us to take time-lapse fluorescence images on living cells and gives new opportunities for analysis. Huolimatta suurista edistysaskeleista lääketieteellisessä terapiassa, iskeeminen sydänsairaus on edelleen maailman yleisin kuolinsyy. Iskemia ilmenee, kun valtimo kapenee tai tukkeutuu es-täen happirikkaan veren pääsyn sydänkudokseen. Tämä luo sydänkudokseen hypoksisen alu-een, eli alueen, jossa kudoksen happitaso on alentunut. Iskemian vaikutusten tutkiminen ihmisil-lä on haastavaa kajoamattomien mittaustekniikoiden puutteen vuoksi. Tästä johtuen eläinmallit ja soluviljelmät ovat pääasiallisia keinoja tutkia iskeemista sydänsairautta. Soluviljelmissä hy-poksiset olosuhteet luodaan usein kaupallisilla hypoksiainkubaattoreilla. Hypoksiainkubaatto-reissa on kuitenkin useita ongelmia, kuten hypoksian indusointiin kuluva pitkä aika sekä hypok-sisen työaseman tarve minkä tahansa analyysin suorittamiseksi hypoksiassa. Jotta iskemiaa ja iskemiasta palautumista voitaisiin mallintaa ja tutkia paremmin, tarvitaan kehittyneempiä hypok-sialaitteistoja.
Tässä diplomityössä esitellään uusi laitteisto akuutin eli äkillisen hypoksian toteuttamiseksi. Tämä ratkaisee suurimmat edellä mainittuihin kaupallisiin hypoksiainkubaattoreihin liittyvät on-gelmat. Työssä esiteltävä laitteisto karakterisoidaan ensin ilman soluja ja tämän jälkeen akuutin hypoksian ja hypoksiasta palautumisen vaikutukset osoitetaan sydänsoluilla. Happidynamiikka määritetään hapen osapainemittauksien avulla ja olosuhteiden stabiilius varmistetaan haihtu-mismittauksilla sekä pH-mittauksilla. Muutos sydänsolujen toiminnassa ja morfologiassa hy-poksian ja hypoksia-reperfuusion vaikutuksesta osoitetaan sähköfysiologisilla mittauksilla ja fluoresenssikuvantamisella. Tällä uudella laitteistolla hypoksiset olosuhteet voidaan saavuttaa 15 minuutissa, mikä mahdollistaa akuutin iskemian mallintamisen. Laitteella näytteet voidaan myös helposti siirtää laboratoriosta toiseen häiritsemättä hypoksisia olosuhteita. Lisäksi tek-niikka mahdollistaa elävien solujen pitkäkestoisen fluoresenssikuvantamisen hypoksiassa, mikä antaa uusia mahdollisuuksia analysointiin ja siten mallien parantamiseen.
In this master’s thesis a new technology overcoming the main issues with previously mentioned commercial hypoxia incubators is characterized. The acute hypoxia device is tested without cells by using partial oxygen pressure measurements, evaporation measurements and pH measurements. After that, multielectrode array (MEA) measurements and fluorescence imaging will are used to show the effects of acute hypoxia and hypoxia-reoxygenation in cardiomyo-cytes. With this new acute hypoxia device, the hypoxic conditions can be achieved within 15 minutes allowing demonstration of acute ischemia. The samples can be easily moved from a laboratory to another without interrupting the hypoxic conditions. This technology allows us to take time-lapse fluorescence images on living cells and gives new opportunities for analysis.
Tässä diplomityössä esitellään uusi laitteisto akuutin eli äkillisen hypoksian toteuttamiseksi. Tämä ratkaisee suurimmat edellä mainittuihin kaupallisiin hypoksiainkubaattoreihin liittyvät on-gelmat. Työssä esiteltävä laitteisto karakterisoidaan ensin ilman soluja ja tämän jälkeen akuutin hypoksian ja hypoksiasta palautumisen vaikutukset osoitetaan sydänsoluilla. Happidynamiikka määritetään hapen osapainemittauksien avulla ja olosuhteiden stabiilius varmistetaan haihtu-mismittauksilla sekä pH-mittauksilla. Muutos sydänsolujen toiminnassa ja morfologiassa hy-poksian ja hypoksia-reperfuusion vaikutuksesta osoitetaan sähköfysiologisilla mittauksilla ja fluoresenssikuvantamisella. Tällä uudella laitteistolla hypoksiset olosuhteet voidaan saavuttaa 15 minuutissa, mikä mahdollistaa akuutin iskemian mallintamisen. Laitteella näytteet voidaan myös helposti siirtää laboratoriosta toiseen häiritsemättä hypoksisia olosuhteita. Lisäksi tek-niikka mahdollistaa elävien solujen pitkäkestoisen fluoresenssikuvantamisen hypoksiassa, mikä antaa uusia mahdollisuuksia analysointiin ja siten mallien parantamiseen.