Авторы : (1) Фатемех Азари, Департамент машиностроения и материаловедения, Университет Питтсбурга, 3700 O'Hara Street Benedum Hall of Engineering, Питтсбург, PA 15261 (FAA104@pitt.edu); (2) Анна М. Робертсон, Департамент машиностроения и материаловедения, Университет Питтсбурга, 3700 O'Hara Street Benedum Hall of Engineering, Питтсбург, PA 15261 и Департамент биоинженерии, Университет Питтсбурга, 3700 O'Hara Street Benedum Hall of Engineering, Питтсбург, PA 15261 (rbertson@pitt.edu); (3) Lori A. Birder, Департамент медицины, Университет Питтсбурга, 3550 Terrace St, Питтсбург, PA 15213 и Департамент фармакологии и химической биологии, Университет Питтсбурга, 3550 Terrace St, Питтсбург, PA 15213 (lbirder@pitt.edu). Authors: (1) Фатемех Азари, Департамент машиностроения и материаловедения, Университет Питтсбурга, 3700 O'Hara Street Benedum Hall of Engineering, Питтсбург, PA 15261 (FAA104@pitt.edu); (2) Анна М. Робертсон, Департамент машиностроения и материаловедения, Университет Питтсбурга, 3700 O'Hara Street Benedum Hall of Engineering, Питтсбург, PA 15261 и Департамент биоинженерии, Университет Питтсбурга, 3700 O'Hara Street Benedum Hall of Engineering, Питтсбург, PA 15261 (rbertson@pitt.edu); (3) Lori A. Birder, Департамент медицины, Университет Питтсбурга, 3550 Terrace St, Питтсбург, PA 15213 и Департамент фармакологии и химической биологии, Университет Питтсбурга, 3550 Terrace St, Питтсбург, PA 15213 (lbirder@pitt.edu). Стол слева Резюме и 1 введение методологии Результаты, выводы и ссылки Резюме Текущие механические модели мочевого пузыря в основном идеализируют мочевой пузырь как сферический с равномерной толщиной. Это настоящее исследование направлено на исследование этой идеализации с использованием микро-КТ для создания 3D-реконструированных моделей лопастей крыс при разрешении 10-20 микрометров как в пустых, так и в заполненных состояниях. Применяется к трем лопастям крыс, этот подход идентифицирует-форма, объем и вариации толщины под различным давлением. Эти результаты демонстрируют процесс заполнения / заполнения далеко от идеализированной сферической инфляции / сокращения. Однако идеализации геометрии могут быть разумными в случаях, когда заполненная геометрия мочевого пузыря имеет значение, например в исследования 1 Введение Функциональность мочевого пузыря определяется его геометрией, толщиной стенки и биомеханическими свойствами, все подвержены ухудшению вследствие старения и болезни, приведенные BOO. Значение BOO для населения подчеркивается глобальной эскалацией распространенности доброкачественной гиперплазии простаты (BPH), центрального участника BOO. BPH продемонстрировал выраженное увеличение на 70,5% с 51,1 миллиона случаев в 2000 году до 94 миллионов в 2019 году [1,2,3] и является особенно важной медицинской проблемой для мужчин в возрасте 50-60 лет с более низкого социально-экономического фона. BPH вызывает спектр дисфункций мочевого пузыря [4-5], включая гипертрофию стенки мочевого пузыря (B Традиционно, образец выбора для пациентов BOO был ультразвуком; однако, он не дает всеобъемлющего понимания изменений стен, возникающих в результате роста тканей и ремоделирования. С 1991 года было периодическое изучение геометрических свойств BW во время циклов наполнения и опорожнения. Тем не менее, эта область исследования препятствует недостаточности интегрированных междисциплинарных методов и необходимого сложного оборудования [4,5,6]. Существующая научная литература описывает два основных экспериментальных подхода для выяснения свойств BW: анализы, проведенные на уровне органа и те, на уровне тканевого полосы [7,8,9]. В то время как исследования на уровне тканей, такие как однооксиальное и двуоксиальное тестирование, облег Более того, традиционные подходы к характеристике механики мочевого пузыря исторически приняли слишком упрощенную модель мочевого пузыря, концептуализируя его как равномерно толстый, сферический сосуд. Хотя эти идеализации могут быть уместными в некоторых настройках, они не способны объяснить сложную геометрию органа, включая изменяющуюся и неравномерную толщину стенки во время процесса наполнения. Для аутентичного воспроизведения сложного биомеханического поведения мочевого пузыря необходимы более сложные модели мочевого пузыря. В ответ на этот пробел наше исследование использовало микро-КТ для точной количественной оценки геометрических свойств стенки мочевого пузыря в рамках модели наполнения ex-vivo. 2 Методология 2.1 Экс-живое наполнение органа мочевого пузыря Целевой циркулирующий мочевой пузырь, мочеточники и уретра были хирургически удалены от трех 3-4-месячных женских крыс Sprague-Dawley и немедленно помещены в фитосанитарный раствор (HB-PBS) с составлением 134 мМ NaCl, 6 мМ KCl, 1 мМ MgCl2, 2 мМ MgCl2, 10 мМ HEPES и 7 мМ глюкозы, приспособленный к рН 7,4. Блокаторы кальциевых каналов были добавлены к раствору, чтобы предотвратить спонтанное сокращение давления гладких мышечных клеток (SMC). Уреаторы были каутеризированы рядом с оболочкой мочевого пузыря и мочеиспуска Микро-КТ экспериментальный дизайн и морфологический анализ Он центральные шаги для получения 3D-реконструированной модели каждого мочевого пузыря: i) монтаж, выравнивание и сканирование с помощью сканера высокого разрешения Skyscan 1272 (Bruker Micro-CT, Kontich, Belgium), ii) 3D-реконструирование стаканов микро-CT Z 2D-изображений с использованием программного обеспечения Nrecon (Bruker MicroCT, Kontich, Belgium), iii) морфологический анализ 3D-модели с использованием программного обеспечения Simpleware ScanIP (Synopsys, Sunnyvale, California), iv), сегментация внутренней (люмен) и внешней (лумен) геометрии в программном обеспечении Meshmixer (Autodesk, San Francisco, California), а также анализ толщины с использованием программного обеспечения Materialize Микро-CT сканирование было выполнено с использованием источника данных напряжения 80 кВ и источника тока 125 мкА. Изображения были захвачены в размере пикселей 10,8 мкм с использованием шага вращения 0,6 градуса, размера кадра 2048 x 2048 без фильтрации и времени экспозиции 400 мс. Реконструкция этих изображений с помощью программного обеспечения NRecon включала гладкость на уровне 1, обращаясь к кольцевым артефактам на 50%, а затем корректируя для получения данных стереолитографии (STL) на 2%. Время сканирования для лезвий сохранялось менее чем на 10 минут, чтобы избежать обезвоживания. Процесс сегментации начался с пороговых значений серого диапазона для создания масок, преобразу 3 Результаты и выводы Количественная оценка геометрии мочевого пузыря была получена для трех образцов мочевого пузыря крыс, обозначенных как мочевой пузырь A, B и C, Рисунок 2.Данные были получены в двух состояниях инфляции: (1) вычеркнуто (нераспределенное состояние – состояние сбора) и (2) заполнено (распределено). В опорожненном состоянии толщина стены была очень неравномерна. Во всех трех случаях BW для опорожненного состояния был заметно толще на куполе по сравнению со средними пузырьковыми и тригональными областями. В частности, средняя максимальная толщина купола для всех трех лепестков составляла 2,84 мм ± 0,28 мм, в то время как средняя толщина средних и тригональных областей составляла 0,65 ± 0,14, соответственно. Напротив, при дистилляции (рисунок 2, b, d, f), все три лепестка имеют относительно однородную тонкую стенку со средней толщиной 0,10 мм ± 0,02 мм. Многочисленные модели стен, включая наш собственный [3], идеализировали мочевой пузырь с сферической конфигурацией и однородной толщиной стен [3,6,10], приближение, выгодное для получения аналитических решений. Текущая работа предполагает, что это может быть разумным приближением в исследованиях, где важна геометрия заполненного мочевого пузыря. Например, в недавнем исследовании роста и ремоделирования для BOO-лосок, заполненный (сферический) мочевой пузырь использовался в качестве справочной конфигурации для определения гомеостатического растяжения как коллагеновых волокон, так и гладких мышечных клеток [3]. Однако, возможно, что даже полный мочевой пузырь покажет отклонения в форме Подводя итог, данная работа подчеркивает необходимость применения сложных методов визуализации, таких как микро-КТ с высоким разрешением, для выявления морфологии мочевого пузыря и выявления регионально-специфических изменений толщины стенки на протяжении всего процесса наполнения и опорожнения. Такие данные высокого разрешения жизненно важны для вычислительных механических моделей мочевого пузыря, необходимых для изучения развивающейся функциональности мочевого пузыря во время заболеваний, таких как обструкция выхода мочевого пузыря (BOO). Референции [1] Awedew, A. F., et al. Глобальная, региональная и национальная нагрузка на доброкачественную гиперплазию простаты в 204 странах и территориях с 2000 по 2019 год: систематический анализ для исследования Global Burden of Disease Study 2019 The Lancet Healthy Longevity, 3(11), e754-e776, 2022. [2] Fusco, F., et al. Прогрессирующая перестройка мочевого пузыря из-за обструкции выхода мочевого пузыря: систематический обзор морфологических и молекулярных доказательств у людей. [3] Чэн, Ф., и др. Модель ограниченного смеси-миктурирования-роста (CMMG) мочевого пузыря: применение к частичной обструкции выхода мочевого пузыря (BOO). Журнал механического поведения биомедицинских материалов, 134, 105337, 2022. [4] Damaser, M. S. et al. Частичная обструкция выхода вызывает хроническую дистензию и повышенную скованность мочевого пузыря крыс.Neurourology and Urodynamics: Official Journal of International Continence Society, 15(6), 650-665, 1996. [5] Parekh, A., et al. Ex vivo деформации стенки мочевого пузыря во время наполнения всего мочевого пузыря: вклад внеклеточной матрицы и гладкой мышцы. [6] Trostorf, R., et al. Пилотное исследование по активной и пассивной ex vivo характеристике мочевого пузыря и его влиянию на трехмерное моделирование. журнал механического поведения биомедицинских материалов, 133, 105347, 2022. [7] Trostorf, R., et al. Местоположение и слоезависимая биомеханическая и микроструктурная характеристика стенки мочевого пузыря свиньи. [8] Hanczar, M., et al. Значение биомеханики и структуры скефолда для инженерии тканей пузыря. International Journal of Molecular Sciences, 22(23), 12657, 2021. [9] Ajalloueian, F., et al. Биомеханика мочевого пузыря и использование стеллажей для регенеративной медицины в мочевом пузыре. Nature Reviews Urology, 15(3), 155-174, 2018. [10] Hennig, G., et al. Количественное определение биомеханики всего мочевого пузыря с использованием новой системы рефлекторной макроскопии пентаплана. [11] Damaser, M. S. Механика всего мочевого пузыря во время наполнения. Scandinavian Journal of Urology and Nephrology, 33(201), 51-58, 1999 [12] «Анализ микро-КТ рентгеновских лучей», DigiM Solution, https://digimsolution.com/services/imaging/xray-micro-ct-analysis, 2023 [13] Birder, L. A., et al. Hypoxanthine индуцирует признаки старения мочевого пузыря с дисфункцией опорожнения и ремоделированием нижних мочевых путей. The Journal of Gerontology: Series A, glad171, 2023. Эта статья доступна в архиве под лицензией CC BY 4.0 DEED. Эта статья доступна в архиве под лицензией CC BY 4.0 DEED. Доступно в архиве
