Engineering Approaches to Physiological Pressure

Abstract

Physiological pressure is an important factor when considering the proper function of organs, tissues and cells. It affects their differentiation, signalling, homeostasis and function. If there are problems in the regulation of the pressure, pathological conditions occur, making it important to be able to replicate the normal pressure conditions as well as the abnormal conditions in laboratory settings. In addition to pressure, other physiological conditions such as hypoxia, shear stress and temperature are important factors to the normal development and function of tissues. This thesis explores different physiological pressures including intraocular pressure (IOP), intracranial pressure (ICP), transpulmonary pressure (TPP), blood pressure, intramuscular pressure (IMP), intra-abdominal pressure (IAP), and interstitial fluid pressure (IFP) and their respective pathological conditions. Different types of pathological conditions can change the pressure range, and most often in pathological conditions the pressure rises above the normal range. IOP is usually between 10 and 21 millimetres of mercury (mmHg) and values over 21 mmHg are considered elevated. It can rise to 80 mmHg. Normal range of ICP is 7—15 mmHg and hypertension can reach up to 100 mmHg. Normal blood pressure for adult is 120/80 mmHg. In hypertension pressures are over 140/80 mmHg and on the other hand hypotension is under 90/80 mmHg. Pulmonary arterial pressure is normally between 10 and 18 mmHg and during hypertension it can rise to 55 mmHg. IMP at rest is between 0 and 10 mmHg whereas during contraction it can reach 375 mmHg. In compartment syndrome IMP can rise to 178 mmHg. Normal IAP is 2—7 mmHg and during abdominal compartment syndrome it is over 25 mmHg. IFP in healthy and normal tissues is between -3 and 3 mmHg, but in cancerous tumors it can reach 100 mmHg. In this thesis different academic and commercial models, that can replicate physiological pressure, are introduced. The academic models are usually made for a specific study. On the other hand, the commercially available systems are made to be used in multiple different applications and with many different types of cells. They all have their advantages and disadvantages, which need to be taken into consideration, when choosing the right solution for a specific case. The companies that provide pressure systems are Strex Inc., Xcell Biosciences, Inspiration Technology Innovation, Kyodo International Inc. and CellScale. The commercial models can be used in many different studies with multiple types of cells. The Strex model has been especially used in IOP studies with porcine retinal cells. AVATAR Odyssey made by XcellBiosciensies has been used in for example stem cell, tumor, and lung development studies. The CellScale product MechanoCulture TR has been used in ligament and knee studies and in a study where the pressure affects the phenotype of the cells. While these pressure systems already provide important insights to the importance of pressurized cell culture environments, improvements are still needed to create even more accurate models. With more accurate models, the results from cell culture research are more relevant and usable in e.g. discovering new treatment options.

Normaali fysiologinen paine on edellytys elinten, kudosten ja solujen normaaliin toimintaan. Paine vaikuttaa niiden erilaistumiseen, signalointin, homeostasiaan ja toimintaan. Jos paineen säätelyssä on ongelmia, patologisia tiloja voi syntyä, minkä vuoksi on tärkeää pystyä mallintamaan sekä normaaleja että epänormaaleja paineita laboratoriossa. Paineen lisäksi on myös muita fysiologisia tiloja, jotka ovat tärkeässä osassa kudosten kehittymisessä sekä niiden normaalissa toiminnassa. Tällaisia tiloja ovat esimerkiksi hapen puute, leikkausjännitys ja lämpötila. Tässä kirjallisuuskatsauksessa esitellään seuraavat paineet: intraokulaarinen paine (IOP), intrakraniaalinen paine (ICP), transpulmonaarinen paine (TPP), verenpaine, intramuskulaarinen paine (IMP), intra-abdominaalinen paine (IAP) sekä intrestitiaalinen nesteen paine (IFP) ja niitä vastaavat patologiset tilat. Eri patologiset tilat voivat muuttaa paineiden suuruutta, yleisimpänä muutoksen paineen nousu yli normaalien arvojen. IOP:en arvo on yleisesti 10 ja 21 elohopeamillimetrin (mmHg) välillä ja kohonneeksi paineeksi lasketaan paineet, jotka ylittävät 21 mmHg:ä. IOP voi nousta jopa 80 mmHg:iin. Normaali väli ICP:lle on 7—15 mmHg:ä ja hypertension aikana se voi nousta jopa 100 mmHg:iin. Normaali verenpaine aikuiselle on 120/80 mmHg:ä, hypertensiossa paine ylittää 140/80 mmHg:in ja hypotensiossa paineet ovat alle 90/80 mmHg:ä. Keuhkovaltimopaine on normaalisti 10 ja 18 mmHg:in välillä ja hypertensiossa se voi nousta 55 mmHg:iin asti. IMP on levon aikana 0 ja 10 mmHg:in välillä, mutta lihassupistus voi nostaa sen jopa 375 mmHg:iin. Aitio-oireyhtymässä IMP voi nousta 178 mmHg:iin. Normaali IAP on 2—7 mmHg:ä ja vatsaontelon ylipaineoireyhtymän aikana paine on yli 25 mmHg:ä. IFP terveissä kudoksissa vaihtelee -3 ja 3 mmHg:in välillä, mutta syöpäkasvaimessa IFP voi nousta 100 mmHg:iin. Tässä kirjallisuuskatsauksessa esitellään erilaisia akateemisia sekä kaupallisia malleja ja laitteita, joilla voidaan mallintaa fysiologista painetta. Akateemiset mallit ovat usein tehtyjä tiettyä tutkimusta varten, kun taas kaupalliset laitteet ovat tehtyjä toimimaan useissa eri sovelluksissa ja eri solutyyppien kanssa. Kaikilla eri malleilla ja laitteilla on omat vahvuutensa ja heikkoutensa, jotka tulee ottaa huomioon etsiessä oikeaa ratkaisua tiettyä tarkoitusta varten. Yritykset, jotka tarjoavat painelaitteita ovat Strex Inc., Xcell Biosciences, Inspiration Technology Innovation, Kyodo International Inc. ja CellScale. Kaupallisia laitteita on käytetty monipuolisesti eri tutkimuksissa ja eri solutyyppien kanssa. Strexin laitetta on käytetty erityisesti IOP:n tutkimisessa sian verkkokalvon soluilla. AVATAR Odyssey -laitetta (Xcell Biosciences) on käytetty esimerkiksi kantasolu-, kasvain- ja keuhkojen kehitystutkimuksessa. CellScalen MechanoCulture TR -laitetta puolestaan on käytetty polvi- ja ligamenttitutkimuksissa sekä tutkimuksessa, jossa paineen vaikutusta solun fenotyypin muuttumiseen selvitetään. Vaikka nämä laitteet ja mallit tuovat jo tärkeitä parannuksia soluviljelyolosuhteisiin ja ymmärrykseen paineen tärkeydestä, paineen mallintamiseen tarvitaan edelleen vielä parempia ja tarkempia malleja. Kun pystytään mallintamaan kehon painetta mahdollisimman tarkasti, saadut tulokset ovat tarkempia ja käyttökelpoisempia esimerkiksi uusien hoitomuotojen löytämisessä.