Los autores: (1) Fatemeh Azari, Departamento de Ingeniería Mecánica y Ciencia de Materiales, Universidad de Pittsburgh, 3700 O'Hara Street Benedum Hall of Engineering, Pittsburgh, PA 15261 (FAA104@pitt.edu); (2) Anne M. Robertson, Departamento de Ingeniería Mecánica y Ciencias de Materiales, Universidad de Pittsburgh, 3700 O'Hara Street Benedum Hall of Engineering, Pittsburgh, PA 15261 y Departamento de Bioingeniería, Universidad de Pittsburgh, 3700 O'Hara Street Benedum Hall of Engineering, Pittsburgh, PA 15261 (rbertson@pitt.edu); (3) Lori A. Birder, Departamento de Medicina, Universidad de Pittsburgh, 3550 Terrace St, Pittsburgh, PA 15213 y Departamento de Farmacología y Biología Química, Universidad de Pittsburgh, 3550 Terrace St, Pittsburgh, PA 15213 (lbirder@pitt.edu). Authors: (1) Fatemeh Azari, Departamento de Ingeniería Mecánica y Ciencia de Materiales, Universidad de Pittsburgh, 3700 O'Hara Street Benedum Hall of Engineering, Pittsburgh, PA 15261 (FAA104@pitt.edu); (2) Anne M. Robertson, Departamento de Ingeniería Mecánica y Ciencias de Materiales, Universidad de Pittsburgh, 3700 O'Hara Street Benedum Hall of Engineering, Pittsburgh, PA 15261 y Departamento de Bioingeniería, Universidad de Pittsburgh, 3700 O'Hara Street Benedum Hall of Engineering, Pittsburgh, PA 15261 (rbertson@pitt.edu); (3) Lori A. Birder, Departamento de Medicina, Universidad de Pittsburgh, 3550 Terrace St, Pittsburgh, PA 15213 y Departamento de Farmacología y Biología Química, Universidad de Pittsburgh, 3550 Terrace St, Pittsburgh, PA 15213 (lbirder@pitt.edu). Mesa de la izquierda Resumen y 1 Introducción metodologías Resultados, Conclusiones y Referencias Resumen Los modelos mecánicos actuales de la vejiga idealizan en gran medida la vejiga como esférica con espesor uniforme. Este estudio presente tiene como objetivo investigar esta ideización utilizando micro-CT para generar modelos reconstruidos 3D de las lentes de ratón a resolución de 10-20 micrómetros en ambos estados vacíos y llenos. Aplicado a las lentes de ratón tres, este enfoque identifica-forma, volumen y variaciones de espesor bajo diferentes presiones. Estos resultados demuestran que el proceso de relleno/vaciado está lejos de la inflación / contracción esférica idealizada. Sin embargo, las idealizaciones de geometría pueden ser razonables en los casos en que la geometría de la vejiga llenada es importante, como en estudios de crecimiento y remodelación. 1 Introducción La funcionalidad de la vejiga se determina por su geometría, espesor de pared y propiedades biomecánicas, todas susceptibles de deterioro debido al envejecimiento y la enfermedad, ejemplificado por BOO. La importancia de BOO para la población se destaca por la prevalencia global de la hiperplasia prostática benigna (BPH), el contribuyente central a BOO. La BPH ha mostrado un aumento pronunciado del 70,5% de los 51.1 millones de casos en 2000 a 94 millones en 2019 [1,2,3] y es un problema médico particularmente importante para los hombres de 50 a 60 años de edad desde un fondo socioeconómico más bajo. La BPH induce un espectro de disfunciones urinarias [4-5] incluyendo la hipertrofia de la pared de la vejiga (BW), cambios en la dinámica de la vej Tradicionalmente, la modalidad de imagen de elección para los pacientes de BOO ha sido ultrasonido; sin embargo, no ofrece una visión completa de los cambios en la pared que surgen del crecimiento y remodelación del tejido. Desde 1991, ha habido una exploración intermitente en las propiedades geométricas del BW durante los ciclos de relleno y vacío. Sin embargo, este campo de investigación está obstaculizado por la escasez de metodologías interdisciplinarias integradas y el equipo sofisticado requerido [4,5,6]. La literatura científica existente delinea dos enfoques experimentales primarios para el esclarecimiento de las propiedades del BW: análisis llevados a cabo en el nivel del órgano y aquellos en el nivel de la banda de tejido [7,8,9]. Mientras que las investigaciones en el nivel del tejido, Además, los enfoques convencionales para la caracterización de la mecánica de la vejiga han adoptado históricamente un modelo excesivamente simplificado de la vejiga, conceptualizándola como un vaso esférico de espesor uniforme. Si bien estas idealizaciones pueden ser apropiadas en algunos entornos, no cuantifican la compleja geometría del órgano, incluyendo el cambio y la espesura de la pared no uniforme durante el proceso de relleno. Se necesitan modelos más sofisticados de la vejiga para reproducir auténticamente el complejo comportamiento biomecánico de la vejiga. En respuesta a esta brecha, nuestra investigación utilizó micro-CT para cuantificar con precisión las propiedades geométricas de la pared de la vejiga dentro de un modelo de relleno ex-vivo. 2 Metodología 2.1 Relleno ex vivo del órgano de la vejiga urinaria La vejiga urinaria cerrada, los ureteros y la uretra fueron quirúrgicamente eliminados de tres ratas femeninas de Sprague-Dawley de 3-4 meses de edad y inmediatamente colocados en una solución salina fisiológica (HB-PBS) con buffer de HEPES con una composición de 134 mM NaCl, 6 mM KCl, 1 mM MgCl2, 2 mM MgCl2, 10 mM HEPES y 7 mM glucosa, ajustado a un pH de 7.4. Se añadieron bloqueadores de canal de calcio a la solución para prevenir la contracción espontánea de las células musculares lisas (SMC). Los ureteros fueron cauterizados adyacentes a la pared de la vejiga y la uretra vinculada con 3-0 suturas a una necesidad de 2.2 Diseño experimental de micro-CT y análisis morfológico Los pasos centrales para obtener un modelo reconstruido en 3D de cada vejiga son: i) montaje, alineación y escaneo utilizando un escáner de alta resolución Skyscan 1272 (Usuario Micro-CT, Kontich, Bélgica), ii) reconstrucción en 3D de las pilas micro-CT Z de imágenes 2D utilizando el software Nrecon (Usuario MicroCT, Kontich, Bélgica), iii) análisis morfológico del modelo 3D utilizando el software Simpleware ScanIP (Synopsys, Sunnyvale, California), iv), segmentación de las geometrías internas (lumen) y externas (lumaben) en el software Meshmixer (Autodesk, San Francisco, California), y análisis de espesor utilizando el software Materialize 3-matic (Materialize GmbH, Munich, Alemania). Los escáneres de micro-CT se realizaron utilizando la tensión de fuente de datos de 80 kV y la corriente de fuente de 125 μA. Las imágenes se capturaron a un tamaño de píxel de 10,8 μm utilizando un paso de rotación de 0,6 grados, un tamaño de cuadro de 2048 x 2048 sin filtrar, y un tiempo de exposición de 400 ms. La reconstrucción de estas imágenes con el software NRecon implicó suavizar en el nivel 1, abordar los artefactos de los anillos en el 50%, y corregir para el endurecimiento del rayo del 2%. El tiempo de escaneo para las hojas se mantuvo menos de 10 minutos para evitar la deshidratación. El proceso de segmentación comenzó por el umbral de los valores de la escala gris para crear máscaras, transformando las imágenes 2 3 Resultados y conclusiones Se obtuvo una evaluación cuantitativa de la geometría de la vejiga para tres muestras de vejiga de ratón, etiquetadas como vejiga A, B y C, Figura 2. En el estado vacío, el espesor de la pared era altamente no uniforme. En todos los tres casos, el BW para el estado vacío era notablemente más grueso en la cúpula en comparación con las áreas medias de la vesícula y trigonal. En particular, el espesor máximo medio de la cúpula para las tres hojas era de 2,84 mm ± 0,28 mm mientras que el espesor medio de las áreas medias y trigonales era de 0,65 ± 0,14, respectivamente. En contraste, en la distancia (Figura 2, b, d, f), todas las tres hojas tienen una pared relativamente uniforme y delgada con un espesor medio de 0,10 mm ± 0,02 mm. Numerosos modelos de pared, incluyendo nuestro propio [3], han idealizado la vejiga con una configuración esférica y espesor de pared homogéneo [3,6,10], una aproximación ventajosa para derivar soluciones analíticas. El trabajo actual sugiere que esto puede ser una aproximación razonable en estudios donde la geometría de la vejiga llena es importante. Por ejemplo, en un estudio reciente de crecimiento y remodelación para las vejigas BOO, la vejiga llena (esférica) se utilizó como la configuración de referencia para definir el estiramiento homeostático de ambas fibras de colágeno y las células musculares lisas [3]. Sin embargo, es posible que incluso la vejiga llena mostrará desviaciones en forma y espesor de pared de esta idealización en estados patológicos o como resultado del En resumen, este trabajo destaca la necesidad de emplear modalidades de imagen sofisticadas, como micro-CT de alta resolución, para revelar la morfología de la vejiga e identificar alteraciones regionales específicas en el grosor de la pared a lo largo del proceso de llenado y vaciado. Estos datos de alta resolución son vitales para los modelos de mecánica computacional de la vejiga necesarios para estudiar la funcionalidad evolutiva de la vejiga durante enfermedades como la obstrucción de la salida de la vejiga (BOO). Los autores expresan su agradecimiento por la financiación recibida de NIH-R01 AG056944 y NIH-R01 DK133434. Referencias [1] Awedew, A. F., et al. La carga global, regional y nacional de la hiperplasia prostática benigna en 204 países y territorios de 2000 a 2019: un análisis sistemático para el Estudio de la carga global de la enfermedad 2019. [2] Fusco, F., et al. Remodelación progresiva de la vejiga debido a la obstrucción de la salida de la vejiga: una revisión sistemática de la evidencia morfológica y molecular en humanos. [3] Cheng, F., et al. Un modelo de mezcla-micturización-crecimiento restringido (CMMG) de la vejiga urinaria: Aplicación a la obstrución de salida parcial de la vejiga (BOO). Journal of the mechanical behavior of biomedical materials, 134, 105337, 2022. [4] Damaser, M. S. et al. La obstrucción parcial de la salida induce distensión crónica y mayor rigidez de la vejiga urinaria de ratas. Neurourología y Urodinámica: Journal Official de la International Continence Society, 15(6), 650-665, 1996. [5] Parekh, A., et al. Deformaciones ex vivo de la pared de la vejiga urinaria durante el relleno de la vejiga entera: contribuciones de la matriz extracelular y el músculo liso. Journal of Biomechanics, 43(9), 1708-1716, 2010. [6] Trostorf, R., et al. Un estudio piloto sobre una caracterización activa y pasiva ex vivo de la vejiga y su impacto en la modelización tridimensional. diario del comportamiento mecánico de los materiales biomédicos, 133, 105347, 2022. [7] Trostorf, R., et al. Caracterización biomecánica y microstructural dependiente de la ubicación y la capa de la pared de la vejiga urinaria porcina. Journal of the mechanical behavior of biomedical materials, 115, 104275, 2021. [8] Hanczar, M., et al. La importancia de la biomecánica y la estructura de Scaffold para la ingeniería de tejido vesicular. International Journal of Molecular Sciences, 22(23), 12657, 2021. [9] Ajalloueian, F., et al. Biomecánica de la vejiga y el uso de escaleras para la medicina regenerativa en la vejiga. Revisiones de la naturaleza Urología, 15(3), 155-174, 2018. [10] Hennig, G., et al. Cuantificar la biomecánica de la vejiga entera utilizando el nuevo sistema de macroscopía de imagen reflejada pentaplanar. [11] Damaser, M. S. Mecánica de la vejiga completa durante el relleno. Scandinavian Journal of Urology and Nephrology, 33(201), 51-58, 1999 [12] “Análisis de micro-ct de rayos X”, Solución DigiM, https://digimsolution.com/services/imaging/xray-micro-ct-analysis, 2023 [13] Birder, L. A., et al. Hypoxanthine induce signos de envejecimiento de la vejiga con disfunción de vacío y remodelación del tracto urinario inferior. The Journal of Gerontology: Serie A, glad171, 2023. Este artículo está disponible en archivo bajo la licencia CC BY 4.0 DEED. Este documento es bajo la licencia CC BY 4.0 DEED. available on arxiv Disponible en Archivo
