Calcific aortic valvular disease (CAVD) is the most common valvular pathology in the developed world. CAVD results in calcifications forming on the aortic valve leaflets, inhibiting proper closure and causing complications of stenosis and regurgitation. Although, the mechanisms behind the disease initiation are unknown, it is believed to be a cell-mediated phenomenon, and not the result of passive degradation of the valve as once believed due to the increased prevalence with age. Currently, there are no pharmaceutical options for the prevention or reversal of calcifications, the only treatment option is complete valve replacement, an imperfect solution. Hindering the development of potential therapeutics is that currently there are no adequate animal models which replicate the calcification and cell death seen in disease explanted valves. An in vitro model has been develop where valvular interstitial cells (VICs), the main cell type of the valve, are seeded at high density into tissue culture polystyrene dishes and cultured with TGF-β1. This results in VICs activating to the myofibroblast phenotype and forming cell aggregates. Due to currently unknown mechanisms, apoptosis occurs within the center of the aggregates and calcification ensues. Although simplistic, this model has been used to show that rate and frequency of aggregation is affected by cellular tension; conditions of high tension increase aggregation response, while conditions of low tension prevent aggregation and calcification from occurring. It is important to note; however, that despite its wide usage, the current model is limited as the aggregation and subsequent calcification are random occurrences and are not consistent across literature where same conditions for control samples are used. The motivation of the presented work is two-fold. First, high intracellular tension has been suggested as one of the mechanisms leading to disease in the valve. Despite the clear and important role of cell tension, VIC tension has never before been measured in a dynamic environment. The ways in which dynamic stimulation affects individual VIC tension is not known. In aim one, a method is developed to allow for long-term cyclic stretch of VICs with measurement of cell traction force. It was found that cyclic stretch decreased cell tension in cells with high prestress and increased cell tension for conditions of low prestress. Combined, these findings indicate a homeostatic cellular tension which is dependent upon the mechanical environment. In the second aim, a novel method for creating VIC aggregates is validated. Micro-contact printing, essentially “stampingâ€� of a protein in a defined pattern, is used to create circular aggregates on polyacrylamide gels. This method allows for the separation of the aggregation from the subsequent calcification, an improvement over the current in vitro model. The method is then used to explore the role of the distribution of tension in the initiation of disease

Vascular calcification is a prominent cardiovascular condition found worldwide. This condition is predominantly found in the elderly population, and patients who suffer from chronic kidney disease, due to an imbalance of serum phosphate and calcium levels. For many years, vascular calcification was believed to be a passive pathological process which develops with ageing and/or lifestyle. Little has been documented about the disease until the 20th century, when interest in cardiovascular research grew amongst scientists. Indeed, vascular calcification underpins severe clinical outcomes and cardiovascular diseases have been labelled the global leading cause of death. Calcific aortic valve diseases (CAVD) is a progressive degenerative condition characterised by the development of lipo-calcification around the aortic valve leaflets leading to severe aortic stenosis and aortic regurgitation, which may ultimately lead to heart failure. At present there are no pharmaceutical therapies that can stop its progression and its molecular mechanisms are not fully understood. Recent findings have suggested that vascular smooth muscle cell (VSMC) calcification shares many common features with physiological skeletogenesis via the release of matrix vesicles (MVs), which are specialised structures that initiate mineralisation during bone formation. The ability for MVs to nucleate calcium and phosphate highly depend on their protein composition, as this may vary depending on active cell signalling and the microenvironment. This mechanism involving MV-regulated calcification has yet to be examined in CAVD. In this study, examined whether calcium and/or phosphate regulate VIC-derived MVs to induce calcification in the aortic valve. I used a primary rat valve interstitial cell (VIC) model, coupled with stenotic human valve tissues to characterise and study the mechanisms underpinning CAVD. X-ray fluorescence and diffraction analysis showed the mineral found in calcified human aortic valves to be hydroxyapatite (HA), the main component in bone. Additional imaging studies employing transmission electron microscopy (TEM) revealed particles that were similar in size and morphology to skeletal MVs. To further characterise VIC-derived MVs in vitro, I harvested MVs from rat VICs, and subsequently studied their protein composition using Isobaric tag for relative and absolute quantitation (iTRAQ) mass spectrometry. The data obtained from the proteomics analysis was compared to previous published studies on MV proteins derived from osteoblasts and VSMCs. The results showed the upregulation of numerous calcification regulators in MVs isolated from all 3 cell types, in particular, the Annexin family, which are known calcium binding proteins. Further studies conducted with Annexin 6, an established calcium regulator in arterial calcification, revealed its colocalisation with MV-enriched areas in calcified human aortic valve tissue suggesting it may play an important role in calcium regulation during CAVD.

BACKGROUND: Calcific aortic valve disease (CAVD) is the most prevalent heart valve disease in the developed world, claiming almost 17,000 deaths annually in the United States. The lack of noninvasive therapeutics to slow or halt the disease warrants the need for further understanding of the pathobiological mechanisms of CAVD. A tri-laminar structure of aortic valve determines the biomechanical properties of its leaflets. Valvular endothelial cells (VECs) and interstitial cells (VICs) are responsible for valve structural integrity. Traditional two-dimensional culture conditions spontaneously activate the pathological differentiation of VICs making in vitro studies challenging. A monolayered three-dimensional (3D) hydrogel platform was recently developed as a novel in vitro culture system to study the phenotypic changes of VICs leading to microcalcification (early stages of calcification). This system, however, did not fully recapitulate the microenvironment of native valve tissues because of the lack of individual layer representations and endothelial coverage. Bioprinting technology, which allows precise and integrated positioning of cells, matrix, and biomolecules, may provide an innovative approach toward building a more biologically relevant 3D culture platform. OBJECTIVE: This study aims to lay the groundwork for building a multilayered 3D-bioprinted culture platform to study CAVD by first validating the use of bioprinting in monolayered cell-laden 3D hydrogel constructs. METHODS: Human VICs were isolated from patients undergoing valve replacement surgeries at Brigham and Women’s Hospital (Boston, MA) according to Institutional Review Board (IRB) protocols. VICs were expanded in culture medium containing growth factors for up to 6 passages and then encapsulated in hydrogels using 3D bioprinting technology. After encapsulation, VIC-laden 3D constructs were cultured in either normal or osteogenic conditions for 21 days. Microcalcification, cell proliferation, and cell apoptosis were evaluated using fluorescent staining and confocal microscopy. Results were compared with results from VIC-laden hydrogels made manually. RESULTS: An increase in microcalcification was observed throughout bioprinted VIC-laden hydrogel constructs cultured in osteogenic conditions for 21 days, whereas normal conditions developed negligible calcification signals. Cell proliferation and apoptosis were not significantly different between normal and osteogenic groups in bioprinted hydrogels. Cell-free hydrogels did not exhibit any microcalcification. Overall, bioprinted hydrogels showed less nonspecific background staining than handmade hydrogels, thus providing a better means for quantitative assessments of 3D culture platforms. CONCLUSION: Based on bioprinting technology, an improved monolayered cell-laden hydrogel platform was successfully established as a first step toward building an in vitro multilayered disease model for studying the pathobiological mechanisms of CAVD. The results in this study were consistent with current literature that proposes calcification as a cell-dependent, apoptotic-independent, and proliferation-independent pathway. / 2019-07-13T00:00:00Z

Bisher existiert keine nicht-invasive/ nicht-operative Therapie der Aortenklappenstenose. Als wichtiger Zeitpunkt für eine präventive Maßnahme, zur Verhinderung der Ausbildung einer hömodynamisch relevanten Aortenklappenstenose, kann das Stadium der Aortenklappensklerose angesehen werden. Dieses frühe Erkrankungsstadium verfügt über zahlreiche pathophysiologische Parallelen zur Atherosklerose, für die eine positive Rolle der Prävention durch körperliche Aktivität erwiesen ist. Ziel dieser Arbeit war die Durchführung der Sekundärprävention der kalzifizierenden Aortenklappenerkrankung durch körperliches Training. Um mögliche Effekte dieser Intervention zu eruieren, wurden LDLR-/--Mäuse mit bereits bestehenden pathologischen Aortenklappenveränderungen über einen Zeitraum von 16 Wochen körperlichem Training unterzogen. Durch morphologische, serumanalytische, immunhistochemische und Genexpressionsanalysen konnte abschließend eine Quantifizierung der Effekte körperlichen Trainings - in der Zielsetzung der Sekundärprävention - realisiert werden.

No description available.

Κατά την επαφή επιφανειών, όπως οι βαλβίδες καρδιάς ή και άλλοι ιστοί, με βιολογικά υγρά, υπό προϋποθέσεις, εναποτίθενται άλατα φωσφορικού ασβεστίου, λόγω του υφιστάμενου υπερκορεσμού με αποτέλεσμα τη μείωση της λειτουργικότητάς τους. Οι αυξημένες περιπτώσεις ασβεστοποίησης αορτικών αλλά και βιοπροσθετικών βαλβίδων καρδιάς, έχει καταστήσει επιτακτική ανάγκη τη μελέτη και τη κατανόηση του μηχανισμού του σχηματισμού των εναποθέσεων. Στην παρούσα διατριβή, έγινε φυσικοχημικός χαρακτηρισμός παθολογικών εναποθέσεων που απομονώθηκαν από ανθρώπινες φυσικές και βιοπροσθετικές βαλβίδες καρδιάς. Ο χαρακτηρισμός έδειξε ότι οι εναποθέσεις αποτελούνται από κρυσταλλικές φάσεις φωσφορικού ασβεστίου. Έγινε ταυτοποίηση της κρυσταλλικής φάσης που είχε εναποτεθεί στις φυσικές και βιοπροσθετικές βαλβίδες ασθενών με χρήση αναλυτικών μεθόδων (XRD, FT-IR, SEM) και συγκρίθηκαν τα αποτελέσματα. Η μορφολογική εξέταση έδειξε κυρίως την παρουσία απατιτικών (υδροξυαπατίτης με υποκαταστάσεις ανθρακικών ιόντων και ιόντων νατρίου) πρισματικών μικροκρυστάλλων. Επίσης, ταυτοποιήθηκε η παρουσία του θερμοδυναμικά ασταθέστερου φωσφορικού οκτασβεστίου (OCP). Η χημική σύσταση των εναποθέσεων στις ασβεστοποιημένες βαλβίδες ασθενών προσδιορίστηκε διαλύοντας συγκεκριμένη ποσότητα στερεού σε διάλυμα HCl 0.1Ν. Έγινε ανάλυση ιόντων ασβεστίου, νατρίου, μαγνησίου με ατομική απορρόφηση και φωσφορικών ιόντων φασματοφωτομετρικά. Οι λόγοι των γραμμομοριακών συγκεντρώσεων Ca/P των στερεών υπολογίστηκαν από τη χημική ανάλυση. Οι γραμμομοριακοί λόγοι των βιοπροσθετικών βαλβίδων βρέθηκαν Ca/P~1.55 ± 0.25, ενώ οι γραμμομοριακοί λόγοι των φυσικών βαλβίδων βρέθηκαν Ca/P ~ 1.80 ± 0.20. Στα πλαίσια της εκπόνησης της παρούσας διατριβής, μελετήθηκε η κινητική της ασβεστοποίησης in vitro σε χοίρειες αορτικές βαλβίδες καρδιάς (γλωχίνες & τοιχώματα) και σε βόειο περικάρδιο. Έγινε μελέτη του σχηματισμού των εναποθέσεων φωσφορικού ασβεστίου σε υπέρκορα διαλύματά του. Όλα τα πειράματα στην παρούσα εργασία έγιναν σε θερμοκρασία 37 οC, pH 7.4 ± 0.1 και ιοντική ισχύ 0.15 Μ ρυθμισμένη με ΝaCl. Για την μέτρηση του ρυθμού κρυσταλλικής ανάπτυξης και άλλων παραμέτρων όπως ο χρόνος επαγωγής, η μορφολογία και η στοιχειομετρική σύσταση των σχηματιζόμενων κρυστάλλων χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος του σταθερού υπερκορεσμού (σταθερή σύσταση υπέρκορων διαλυμάτων). O ρυθμός κρυστάλλωσης του φωσφορικού οκτασβεστίου (Ca4H(PO4)3•2.5H2O, OCP) στις γλωχίνες βρέθηκε ότι ήταν μεγαλύτερος σε σύγκριση με τον αντίστοιχο ρυθμό σχηματισμού του ιδίου άλατος στα αορτικά τοιχώματα και στο βόειο περικάρδιο. Η πρώτης τάξεως εξάρτηση του ρυθμού κρυστάλλωσης από τον σχετικό υπερκορεσμό έδειξε ότι το καθορίζον την ταχύτητα στάδιο είναι η επιφανειακή διάχυση. Η κρυσταλλική φάση που σχηματίσθηκε με ετερογενή πυρηνογένεση στους ιστούς ταυτοποιήθηκε με τη βοήθεια αναλυτικών μεθόδων όπως η περίθλαση ακτίνων Χ (XRD) και η ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM). Η μορφολογική εξέταση των εναποθέσεων στους ιστούς έδειξε τον σχηματισμό πλακoειδών και φυλλόμορφων κρυστάλλων φωσφορικού οκτασβεστίου (OCP) καθώς και πρισματικών μικροκρυστάλλων του θερμοδυναμικά σταθερότερου υδροξυαπατίτη (Ca5(PO4)3OH, HAP), ο σχηματισμός των οποίων αποδόθηκε στην υδρόλυση του OCP. Η σχέση υποστρώματος (ιστών) και της κρυσταλλικής φάσης η οποία κρυσταλλώθηκε στην επιφάνειά τους, διερευνήθηκε και με τη μελέτη του ηλεκτροστατικού δυναμικού των επιφανειών. Οι αντίστοιχες μετρήσεις έγιναν με τη μέθοδο του δυναμικού ροής (streaming potential) σε ειδική κυψελλίδα η οποία κατασκευάσθηκε για τον σκοπό αυτό. Στις μετρήσεις που έγιναν, οι ιστοί, τόσο άνευ αλλά και με εναποθέσεις φωσφορικού ασβεστίου, αποτέλεσαν την σταθερή φάση ενώ κινουμένη φάση ήταν ηλεκτρολυτικό διάλυμα ΚΝΟ3 ή NaCl. Πραγματοποιήθηκαν για πρώτη φορά σε συστήματα αυτού του είδους, μετρήσεις δυναμικού ροής και υπολογίσθηκαν οι τιμές των αντιστοίχων επιφανειακών δυναμικών (δυναμικά ζ) σε ιστούς, προ και μετά την ασβεστοποίησή τους με άλατα του φωσφορικού ασβεστίου. Η αύξηση της ιονικής ισχύος είχε ως αποτέλεσμα τη μείωση του δυναμικού επιφάνειας ιστών που εξετάστηκαν. Το δυναμικό ροής ήταν ανάλογο της εφαρμοζόμενης πίεσης και από τα διαγράμματα δυναμικού ροής-πίεσης συμπεραίνεται ότι η επιφάνεια των ιστών (περικαρδίου και γλωχίνων) έχει αρνητικό επιφανειακό φορτίο ενώ ασβεστοποίηση των ιστών αυτών έδωσε αρνητικότερες τιμές του ζ δυναμικού τους. Με δεδομένο ότι στην τιμή του pH ισορροπίας που έγιναν οι μετρήσεις, τόσο η επιφάνεια του υποστρώματος όσο και η κρυσταλλική φάση έχουν μικρό αρνητικό φορτίο και δεν φαίνεται οι ηλεκτροστατικές δυνάμεις κρυστάλλων-υποστρωμάτων που εξετάσθηκαν να παίζουν σημαντικό ρόλο. Οι μετρήσεις που έγιναν σε υψηλές τιμές της ιοντικής ισχύος, έδειξαν αύξηση του αρνητικού επιφανειακού φορτίου για το σύνθετο υλικό υπόστρωμα-ΗΑΡ. Η συνάφεια υποστρώματος-κρυσταλλικής φάσης είναι πιθανώς δομικής φύσης. Οι συνεχώς αυξανόμενες απαιτήσεις για την παρασκευή βιοϋλικών έχουν ως αποτέλεσμα το συνεχώς αυξανόμενο ενδιαφέρον για τη σύνθεση και τη μελέτη βιοτσιμέντων, στα συστατικά των οποίων περιλαμβάνονται άλατα φωσφορικού ασβεστίου ή και ανθρακικού ασβεστίου. Tα βιοτσιμέντα έχουν πολλαπλές βιο-ιατρικές εφαρμογές λόγω της δυνατότητας απορρόφησης ή και τροποποίησης με την ενσωμάτωσή τους στα οστά. Μεταξύ των κρυσταλλικών φάσεων του φωσφορικού ασβεστίου, η θερμοδυναμικά σταθερότερη είναι ο HAP, ο οποίος είναι βασικό ανόργανο συστατικό των σκληρών ιστών των ανώτερων θηλαστικών και αποτελεί ένα πολύ καλό βιοσυμβατό υλικό. Παρασκευάστηκαν απατιτικά τσιμέντα φωσφορικού ασβεστίου με ανάμειξη α-φωσφορικού τριασβεστίου (α-Ca3(PO4)2, a-TCP) με υδατικό διάλυμα Na¬2HPO4 και μελετήθηκε η κινητική της κρυστάλλωσης ΗΑP στα απατιτικά τσιμέντα σε υπέρκορα διαλύματα φωσφορικού ασβεστίου, σε συνθήκες σταθερού υπερκορεσμού. Έγινε σειρά πειραμάτων στα οποία μετρήθηκε πρώτα η κινητική της κρυστάλλωσης συνθετικών καλά χαρακτηρισμένων κρυσταλλιτών HAP. Η σειρά αυτή των πειραμάτων ήταν το σύστημα αναφοράς. Πρόσθετες σειρές πειραμάτων έγιναν σε υπέρκορα διαλύματα με σύσταση τροποποιημένων προσομοιωμένων βιολογικών ρευστών (mSBF). Ο ρυθμός κρυστάλλωσης HAP σε φύτρα ΗΑΡ σε ηλεκτρολυτικό διάλυμα, ήταν μεγαλύτερος σε σύγκριση με τον αντίστοιχο ρυθμό σε προσομοιωμένο βιολογικό ρευστό (SBF), της αυτής ιοντικής ισχύος και υπερκορεσμού. Η εξάρτηση του ρυθμού κρυστάλλωσης από τον σχετικό υπερκορεσμό, βρέθηκε ότι ήταν πρώτης τάξεως, οδηγώντας και σε αυτή την περίπτωση στο συμπέρασμα, ότι η κρυστάλλωση και στις δύο περιπτώσεις ηλεκτρολυτικών διαλυμάτων γίνεται με μηχανισμό επιφανειακής διάχυσης. Κατά την σπορά των υπέρκορων διαλυμάτων με κρυσταλλίτες των βιοτσιμέντων το συμπέρασμα ως προς τον μηχανισμό κρυσταλλικής ανάπτυξης ήταν το ίδιο. Ο φυσικοχημικός χαρακτηρισμός τόσο των τσιμέντων όσο και της εναποτεθείσας κρυσταλλικής φάσης έγινε με αναλυτικές μεθόδους χαρακτηρισμού στερεών (XRD, FT-IR, SEM). Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα τσιμέντα αποτελούνταν κατά κύριο λόγο από απατίτη με ποικίλη μορφολογία. Βρέθηκαν απατιτικοί κρύσταλλοι της τάξης μερικών δεκάδων nm, μεγάλοι πρισματικοί κρύσταλλοι (150-300 nm) καθώς και φυλλόμορφες πλάκες 1-2 μm. Παράλληλα, διερευνήθηκε η επίδραση και άλλων ανόργανων υποστρωμάτων που χρησιμοποιούνται ως βιοϋλικά, όπως είναι τα βιοτσιμέντα τα οποία παρασκευάζονται από μιγμάτα ανθρακικού και φωσφορικού ασβεστίου. Έγινε μελέτη της κινητικής της κρυστάλλωσης φωσφορικού οκτασβεστίου (ΟCP) με τη μέθοδο σταθερού υπερκορεσμού στους 37 oC σε pH 7.40 ± 0.1 και σε ιοντική ισχύ 0.15 Μ NaCl. Για την εκκίνηση της κρυσταλλικής ανάπτυξης σε σταθερά υπέρκορα διαλύματα φωσφορικού ασβεστίου χρησιμοποιήθηκαν το βιοτσιμέντο τύπου Α (μίγμα βατερίτη (CaCO3) και διένυδρου φωσφορικού ασβεστίου (CaHPO4•2H2O, DCPD)), και το βιοτσιμέντο τύπου Β (μίγμα βατερίτη (CaCO3), διένυδρου φωσφορικού ασβεστίου (CaHPO4•2H2O, DCPD) και 20% ανθρακικού στροντίου (SrCO3). Επιπλέον, για τη μελέτη της κινητικής της κρυστάλλωσης χρησιμοποιήθηκαν συνθετικοί κρύσταλλοι υδροξυαπατίτη (HAP) και φωσφορικού οκτασβεστίου (OCP), ως υλικά αναφοράς. Η παρουσία ανθρακικών ιόντων έδειξε πως επηρεάζει το ρυθμό κρυστάλλωσης και από την εξάρτηση του ρυθμού κρυστάλλωσης από τον σχετικό υπερκορεσμό συμπεραίνεται ότι η κρυστάλλωση γίνεται με μηχανισμό επιφανειακής διάχυσης. Η μορφολογική εξέταση στις περιπτώσεις κρυστάλλωσης OCP σε φύτρα κρυστάλλων OCP και βιοτσιμέντων (μίγμα CaCO3 και DCPD) έδειξε φυλλόμορφους σχηματισμούς φωσφορικού οκτασβεστίου (OCP), ενώ πλακοειδείς κρύσταλλοι φωσφορικού οκτασβεστίου (OCP) αναπτύχθηκαν σε φύτρα ΗΑΡ. Η συνάφεια μεταξύ ανθρακικών και φωσφορικών αλάτων του ασβεστίου είναι σημαντική για την κατανόηση της συμπεριφοράς και των ιδιοτήτων νέων βιοϋλικών που βασίζονται σ’αυτά τα υλικά. Έτσι, έγινε διερεύνηση της δυνατότητα χρήσεως διαφόρων πολυμορφικών φάσεων ανθρακικού ασβεστίου (CaCO3) ως βάσεων για την παρασκευή νέων βιοϋλικών. Μελετήθηκε ο ετερογενής σχηματισμός του φωσφορικού οκτασβεστίου (OCP) σε υποστρώματα ανθρακικού ασβεστίου, σε συνθήκες σταθερού υπερκορεσμού στους 37 oC σε pH 7.40 ± 0.1 και σε ιοντική ισχύ 0.15 Μ NaCl, χρησιμοποιώντας ως φύτρα σποράς κρυστάλλους ασβεστίτη καθώς και μίγμα κρυστάλλων αραγωνίτη-ασβεστίτη. H κρυστάλλωση του φωσφορικού οκτασβεστίου έλαβε χώρα μετά την πάροδο χρόνου επαγωγής, τ, στα δυο υποστρώματα CaCO3 που μελετήθηκαν και οι αρχικοί ρυθμοί κρυσταλλικής ανάπτυξης ανά μονάδα επιφάνειας βρέθηκαν ότι ήσαν ανεξάρτητοι της ποσότητας των κρυσταλλικών φύτρων, γεγονός που υποδηλώνει την επιλεκτική πυρηνογένεση του σχηματιζόμενου στερεού (ΟCP) στα υποστρώματα που εξετάσθηκαν (CaCO3). Η μορφολογική εξέταση της σχηματιζόμενης φάσης στα δυο υποστρώματα CaCO3 επιβεβαίωσε τον αποκλειστικό σχηματισμό χαρακτηριστικών φυλλόμορφων κρυσταλλιτών OCP, ενώ ο σταθερότερος θερμοδυναμικά υδροξυαπατίτης (HAP) δε σχηματίστηκε ούτε κατευθείαν, ούτε και μέσω υδρόλυσης του θερμοδυναμικά ασταθέστερου OCP, ο οποίος έδειξε να σταθεροποιείται αναπτυσσόμενος ετερογενώς σε ανθρακικά άλατα του ασβεστίου. Είναι γνωστό, ότι η παρουσία ξένων ουσιών ή ιόντων στα υπέρκορα διαλύματα παίζει σημαντικό ρόλο τόσο στην κινητική σχηματισμού του φωσφορικού ασβεστίου όσο και στα χαρακτηριστικά του κρυσταλλικού στερεού το οποίο αναπτύσσεται. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει ο ρόλος του στροντίου στην κινητική της βιολογικής ασβεστοποίησης, αφού όπως αναφέρεται στη βιβλιογραφία ενισχύει τη βιοενεργότητα και τη βιοσυμβατότητα των βιοϋλικών και μπορεί να βοηθήσει στην αντιμετώπιση της οστεοπόρωσης (π.χ. ρανελικό στρόντιο). Έγινε διερεύνηση της επίδρασης ιόντων στροντίου (Sr2+) στην κινητική κρυσταλλικής ανάπτυξης αλάτων φωσφορικού ασβεστίου σε υποστρώματα συνθετικών κρυστάλλων φωσφορικού οκτασβεστίου (OCP) και υδροξυαπατίτη (HAP) σε υπέρκορα διαλύματα φωσφορικού ασβεστίου. Η παρουσία των ιόντων στροντίου στα υπέρκορα διαλύματα φωσφορικού ασβεστίου έδειξε ότι ενσωματώθηκαν στο κρυσταλλικό πλέγμα τόσο του OCP όσο και του HAP, ενώ κινητικά επιβράδυνε τους ρυθμούς κρυστάλλωσης και των δύο αλάτων. Μεγαλύτερη μείωση του ρυθμού κρυσταλλικής ανάπτυξης μετρήθηκε στην περίπτωση του HAP. Επίσης, παρατηρήθηκαν αλλαγές στη μορφολογία των κρυστάλλων ενώ η παρουσία των ιόντων Sr2+ είχε ως αποτέλεσμα την επιβράδυνση της υδρολυτικής μετατροπής του θερμοδυναμικά ασταθέστερου OCP προς τον θερμοδυναμικά σταθερό HAP. Τέλος, μελετήθηκε η κινητική της διάλυσης των εναποθέσεων φωσφορικού ασβεστίου που απομονώθηκαν από ασβεστοποιημένες φυσικές βαλβίδες ασθενών, αλλά και συνθετικών καλά χαρακτηρισμένων κρυσταλλιτών HAP ως υλικού αναφοράς, σε ακόρεστα διαλύματα. Τα πειράματα έγιναν στους 37 oC, ιοντική ισχύ 0.15 Μ NaCl, σε pH 7.4 ± 0.1 και σε συνθήκες σταθερής ακορεστότητας. Η εξάρτηση του ρυθμού διάλυσης από την σχετική ακορεστότητα των διαλυμάτων εργασίας, η οποία βρέθηκε ότι ήταν δευτέρας τάξεως, έδειξε ότι η διάλυση και στα δύο υποστρώματα ελέγχεται από επιφανειακή διάχυση των δομικών μονάδων. Η διάλυση των παθολογικών εναποθέσεων σε φυσικές βαλβίδες καρδιάς σε συνθήκες σταθερής ακορεστότητας έδωσε σταθερές ταχύτητας σημαντικά μεγαλύτερες σε σύγκριση με τις αντίστοιχες τιμές που ελήφθησαν για συνθετικούς κρυστάλλους ΗΑΡ. Από τη μορφολογική εξέταση τόσο των κρυστάλλων των ασβεστούχων εναποθέσεων όσο και του ΗAP μετά τη διάλυση παρατηρήθηκαν διαφορές μόνο ως προς το μέγεθος των κρυσταλλιτών. Μετά την διάλυση, οι πρισματικοί κρυσταλλίτες του ΗΑΡ είχαν μικρότερο μέγεθος τόσο ως προς το μήκος τους όσο και ως προς το πάχος. / The formation of calcium phosphate deposits upon contact of biological fluids which are supersaturated with respect to a number of calcium phosphate phases, with tissues (e.g. heart valves, artery walls etc) is detrimental to the function of vital organs or of bioprosthetic materials replacing for damaged tissues. Understanding of the mechanisms underlying the formation of the calcium phosphate deposits, adhering tenaciously to functional tissues is of prime importance not only for the amelioration of health but also for the development of efficient and functional biomaterials. Ιn the present work pathological formations of native and bioprosthetic heart valves removed from patients were examined and showed that were consisted of calcium phosphate phases. The calcific deposits formed on native and bioprosthetic heart valves were characterized using solid characterization analytical methods (XRD, FT-IR, SEM) and the results were compared. The morphological examination showed mainly the presence of apatitic (HAP substituted by carbonate and sodium ions) nano-crystals. Τhe presence of the thermodynamically unstable OCP was, also, identified. The chemical composition of calcific deposits was determined by dissolving an amount of solid in solution of HCl 0.1N. The molar Ca/P ratios in the solids were calculated and found to be Ca/P ~ 1.55 ± 0.25 for bioprosthetic heart valves whereas for native heart valves Ca/P ~ 1.80 ± 0.20. This difference may be attributed to the different maturation of the solids in contact with the respective biological fluids. It seems that the longer the exposure of the solids with solutions containing ions which may replace for calcium in the crystal lattice, the higher the respective Ca/P molar ratio. Another purpose of the present work was the investigation of the heterogeneous nucleation of calcium phosphates on heart valve tissues and on synthetic biomaterials. The mechanistic investigation was done through the correlation of the measured rates of crystal growth as a function of the solution supersaturation and in relation with the substrates on which nucleation took place. The kinetics of calcification of porcine aortic valves (leaflets & walls) and bovine pericardium was investigated in vitro. More specifically, the formation of calcium phosphate deposits was studied at 37 0C, pH 7.4 ± 0.1 and ionic strength 0.15 M adjusted with NaCl, from supersaturated solutions. The solution composition was selected to simulate the respective conditions in plasma serum. These conditions were maintained throughout the experiments done in the present work. The kinetic was measured with the method of constant supersaturation. The rate of crystal growth of OCP on heart valve leaflets was higher in comparison with the respective rate on aortic walls and on bovine pericardium. The dependence of the rate of OCP crystal growth on the relative supersaturation was first order, suggesting a surface diffusion controlled process. The crystalline phase formed was characterized by physicοchemical solid characterization methods (XRD, SEM). The mineralogical analysis confirmed the exclusive formation of the transient OCP phase, which was stabilized kinetically because of the maintenance of the solution supersaturation. The morphological examination showed the formation of plate like OCP crystallites (Ca4H(PO4)3•2.5H2O, OCP), which hydrolyzed with time yielding prismatic nano-crystals of the thermodynamically more stable hydroxyapatite (Ca5(PO4)3OH, HAP). Moreover, the effect of the formation of deposits on the tissues investigated on their surface potential was investigated, through measurements of the streaming potential of the surfaces with and without deposits. To our knowledge it is the first time this electrokinetic methodology was applied to investigate mineralized tissues. A home made apparatus was used after the appropriate modifications. A special cell was prepared in which the electrolyte solution was forced to flow over the immobile tissue surface. The surface potentials (zeta potential) of non calcified and calcified tissues were calculated from the electrokinetic measurements. The measurements were conducted over a wide range of concentrations of potassium nitrate (KNO3) and sodium chloride (NaCl) electrolyte solutions. The increase in ionic strength resulted to the decrease in the zeta potential values of the examined tissues. The potential flow was proportional to the applied pressure and from the graph of potential flow as a function of the applied pressure it was concluded that the surfaces of tissues (pericardium and leaflets) were negatively charged. The presence of calcific deposits resulted to more negative values of zeta potential. The fast growing demand for the development of biomaterials has led to increased interest for the development and study of calcium phosphate and/or calcium carbonate biocements. Biocements have multiple bio-medical applications due to their resorbability and/or bioactivity and biocompatibility properties. Among calcium phosphates, the thermodynamically most stable HAP is the major component of hard tissues of higher mammals and an excellent biocompatible material. Apatitic cements of calcium phosphate were prepared by mixing a- tricalcium phosphate (α-Ca3(PO4)2, a-TCP) with aqueous disodium hydrogen phosphate solution (Na¬2HPO4). The kinetics of crystal growth of HAP from calcium phosphate supersaturated solutions on the apatitic cements was investigated at conditions of constant solution supersaturation. Synthetic HAP crystals were used as reference materials. In addition, experiments were carried out in supersaturated solutions of modified simulated body fluid (m-SBF). The crystal growth rate of HAP was found to be higher in the aqueous solutions than in the m-SBF solution. The kinetics measurements showed that in both cases the crystal growth of HAP was a surface diffusion controlled process. The physicochemical characterization of the cements and the crystal growth phase was examined by solid phase characterization methods (XRD, FT-IR, SEM). The morphological examination showed that the cements consisted mainly of apatite with variable morphology. Small apatitic nano-crystals, larger prismatic crystals (150-300 nm) and leaf-like plates 1-2μm. The effect of another type of inorganic substrates, suggested for use as biomaterials was, also, investigated. These included biocements of mixtures of calcium phosphate and calcium carbonate. The investigation of the kinetics of crystal growth of OCP was carried out at conditions of constant solution supersaturation. The crystal growth was initiated by introduction of different types of inoculating solids. Specifically, biocement A refers to a mixture of vaterite (CaCO3) and dicalcium dihydrogen phosphate dihydrate (CaHPO4•2H2O) and biocement B to vaterite (CaCO3), dicalcium dihydrogen phosphate (CaHPO4•2H2O) and 20% of SrCO3 mixture. Synthetic HAP and OCP crystals were used as reference materials. The presence of carbonate ions showed that they had a significant effect on the rate of crystal growth of OCP. From the growth rate dependence on the relative supersaturation, it was concluded that in all cases the mechanism was the same for all substrates and it was surface diffusion controlled. The morphological examination of the deposits on the OCP seed crystals and on biocements showed the formation of the leaf-like OCP crystallites, while plate-like OCP crystals were formed on the HAP seed crystals. The compatibility between minerals like calcium carbonate and calcium phosphate is an issue of key importance for understanding the behavior and properties of implants and for the design of new materials with desired properties. Thus, it was investigated the possibility of using different polymorphs of calcium carbonate (CaCO3) as basis for the development of new biomaterials. The kinetics of heterogeneous nucleation of OCP on calcium carbonate substrates was studied at conditions of constant supersaturation. Stable calcium phosphate solutions, supersaturated with respect to OCP and HAP were inoculated with well characterized calcite seed crystals and mixed aragonite and calcite seed crystals. Past the suspension of the seed crystals in the supersaturated calcium phosphate solutions, OCP crystal growth started past induction time, τ, and the initial crystal growth rates per unit area were found to be independent on the amount of the seeds, suggesting that OCP nucleation occurs selectively on the inoculating solids of CaCO3. The morphological examination of the precipitating phase on both CaCO3 substrates confirmed the exclusive formation of typical leaf-like OCP crystals, while the thermodynamically stable (HAP) did not grow directly on the substrates neither through the hydrolysis of the unstable OCP. The role of strontium on the kinetics of biological calcification is of particular interest, since it is reported in literature that it enhances the bioactivity and biocompatibility of biomaterials and may have a potential use in the treatment of osteoporosis (e.g. strontium ranelate). The effect of the presence of strontium ions in supersaturated calcium phosphate solutions on the rates of crystal growth of OCP and HAP was investigated at constant solution supersaturation, taking care to account only for the dilution of the strontium in the supersaturated solutions. It was found that Sr2+ ions entered the crystal lattice of both HAP and OCP probably substituting for calcium ions. The inhibitory effect of strontium on the crystallization rate of both calcium phosphates was evident, although in the case of OCP inhibition was exhibited a less extent in comparison with HAP. The presence of strontium during the crystal growth of OCP and HAP induced morphology changes and seemed that it retarded the transformation of the unstable OCP into the thermodynamically more stable HAP. Finally, the dissolution kinetics of apatitic deposits from pathological formations on native heart valves removed from patients was investigated in vitro at conditions of constant undersaturation. The dissolution of synthetic HAP was studied as a reference material. The dependence of the dissolution rates on the relative undersaturation of both substrates was second order suggested a surface diffusion controlled process. A marked difference was found however in the rates of dissolution of the two materials tested. The heart valve calcific deposits dissolved with rates 10 fold faster than the corresponding value of the synthetic HAP crystals. Crystallites of smaller size were observed from the morphological examination of both calcific deposits and HAP crystals after dissolution.

Calcific aortic valve disease (CAVD) occurs through multiple mutually non-exclusive mechanisms that are mediated by valvular interstitial cells (VICs). VICs undergo pathological differentiation during the progression of valve calcification; however the factors that regulate cellular differentiation are not well defined. Most commonly recognized are biochemical factors that induce pathological differentiation, but little is known regarding the biochemical factors that may suppress this process. Further, the contribution of matrix mechanics in valve pathology has been overlooked, despite increasing evidence of close relationships between changes in tissue mechanics, disease progression and the regulation of cellular response. In this thesis, the effect of matrix stiffness on the differentiation of and calcification by VICs in response to pro-calcific and anti-calcific biochemical factors was investigated. Matrix stiffness modulated the response of VICs to pro-calcific factors, leading to two distinct calcification processes. VICs cultured on the more compliant matrices underwent calcification via osteoblast differentiation, whereas those cultured on the stiffer matrices were prone to myofibroblast differentiation. The transition of fibroblastic VICs to myofibroblasts increased cellular contractility, which led to contraction-mediated, apoptosis-dependent calcification. In addition, C-type natriuretic peptide (CNP), a putative protective molecule against CAVD, was identified. CNP supressed myofibroblast and osteoblast differentiation of VICs, and thereby inhibited calcification in vitro. Matrix stiffness modulated the expression of CNP-regulated transcripts, with only a small number of CNP-regulated transcripts not being sensitive to matrix mechanics. These data demonstrate the combined effects of mechanical and biochemical cues in defining VIC phenotype and responses, with implications for the interpretation of in vitro models of VIC calcification and possibly disease devleopment. The findings from this thesis emphasize the necessity to consider both biochemical and mechanical factors in order to improve fundamental understanding of VIC biology.

O estudo investigou a influência do tratamento de 10 semanas com paricalcitol (0,1µg/kg 5x/semana) e calcitriol (0,03µg/kg 5x/semana) em modelo de aterosclerose espontânea utilizando camundongos ApoE -/- sham e uninefrectomizados (UNX). Resultados: a densidade capilar por comprimento no tecido cardíaco foi significativamente mais baixa nos animais UNX Controle quando comparados aos shams, o que não ocorreu nos animais UNX tratados com paricalcitol e calcitriol. Nas aortas, a relação parede/lúmen foi significativamente menor no grupo Sham Controle quando comparada à dos grupos UNX Controle e UNX Calcitriol, sendo que nesses últimos, foram evidenciadas calcificações vasculares acompanhadas por células positivas para Runx-2 (cbfa-1). Além disso, foi evidenciada uma menor expressão de TGFß nas aortas dos animais do grupo UNX Paricalcitol em relação aos grupos UNX Controle e UNX Calcitriol. Conclusões: Ambos os tratamentos preveniram alterações na capilarização cardíaca induzidas pela UNX. O tratamento com calcitriol na dose empregada induziu significativas calcificações vasculares, o que não ocorreu com o paricalcitol. / The study investigated the influence of a 10-week treatment with Paricalcitol (0.1µg/kg, 5x/week) or Calcitriol (0.03µg/kg, 5x/week) on cardiovascular disease in spontaneously atherosclerotic ApoE -/- mice submitted to uninephrectomy (UNX). Results: capillary length density of the heart was significantly lower in UNX Control, but not in UNX Paricalcitol and UNX Calcitriol animals, when compared to shams. In the aortas, a significantly lower wall/lumen ratio was observed in the Sham Control group when compared to UNX Control and UNX Calcitriol groups. In the latter, vascular calcifications accompanied by a significant presence of Runx-2 (cbfa-1) positive cells was observed. TGFß aorta expression was significantly higher in UNX Control and UNX Calciriol groups when compared to UNX Paricalcitol. Conclusions: Both treatments were able to prevent the reduction in heart capillarization induced by the UNX model. Treatment with Calcitriol at the employed dose and duration, though, induced significant vascular calcifications.

Calcific aortic valve disease (CAVD) occurs through multiple mutually non-exclusive mechanisms that are mediated by valvular interstitial cells (VICs). VICs undergo pathological differentiation during the progression of valve calcification; however the factors that regulate cellular differentiation are not well defined. Most commonly recognized are biochemical factors that induce pathological differentiation, but little is known regarding the biochemical factors that may suppress this process. Further, the contribution of matrix mechanics in valve pathology has been overlooked, despite increasing evidence of close relationships between changes in tissue mechanics, disease progression and the regulation of cellular response. In this thesis, the effect of matrix stiffness on the differentiation of and calcification by VICs in response to pro-calcific and anti-calcific biochemical factors was investigated. Matrix stiffness modulated the response of VICs to pro-calcific factors, leading to two distinct calcification processes. VICs cultured on the more compliant matrices underwent calcification via osteoblast differentiation, whereas those cultured on the stiffer matrices were prone to myofibroblast differentiation. The transition of fibroblastic VICs to myofibroblasts increased cellular contractility, which led to contraction-mediated, apoptosis-dependent calcification. In addition, C-type natriuretic peptide (CNP), a putative protective molecule against CAVD, was identified. CNP supressed myofibroblast and osteoblast differentiation of VICs, and thereby inhibited calcification in vitro. Matrix stiffness modulated the expression of CNP-regulated transcripts, with only a small number of CNP-regulated transcripts not being sensitive to matrix mechanics. These data demonstrate the combined effects of mechanical and biochemical cues in defining VIC phenotype and responses, with implications for the interpretation of in vitro models of VIC calcification and possibly disease devleopment. The findings from this thesis emphasize the necessity to consider both biochemical and mechanical factors in order to improve fundamental understanding of VIC biology.

O estudo investigou a influência do tratamento de 10 semanas com paricalcitol (0,1µg/kg 5x/semana) e calcitriol (0,03µg/kg 5x/semana) em modelo de aterosclerose espontânea utilizando camundongos ApoE -/- sham e uninefrectomizados (UNX). Resultados: a densidade capilar por comprimento no tecido cardíaco foi significativamente mais baixa nos animais UNX Controle quando comparados aos shams, o que não ocorreu nos animais UNX tratados com paricalcitol e calcitriol. Nas aortas, a relação parede/lúmen foi significativamente menor no grupo Sham Controle quando comparada à dos grupos UNX Controle e UNX Calcitriol, sendo que nesses últimos, foram evidenciadas calcificações vasculares acompanhadas por células positivas para Runx-2 (cbfa-1). Além disso, foi evidenciada uma menor expressão de TGFß nas aortas dos animais do grupo UNX Paricalcitol em relação aos grupos UNX Controle e UNX Calcitriol. Conclusões: Ambos os tratamentos preveniram alterações na capilarização cardíaca induzidas pela UNX. O tratamento com calcitriol na dose empregada induziu significativas calcificações vasculares, o que não ocorreu com o paricalcitol. / The study investigated the influence of a 10-week treatment with Paricalcitol (0.1µg/kg, 5x/week) or Calcitriol (0.03µg/kg, 5x/week) on cardiovascular disease in spontaneously atherosclerotic ApoE -/- mice submitted to uninephrectomy (UNX). Results: capillary length density of the heart was significantly lower in UNX Control, but not in UNX Paricalcitol and UNX Calcitriol animals, when compared to shams. In the aortas, a significantly lower wall/lumen ratio was observed in the Sham Control group when compared to UNX Control and UNX Calcitriol groups. In the latter, vascular calcifications accompanied by a significant presence of Runx-2 (cbfa-1) positive cells was observed. TGFß aorta expression was significantly higher in UNX Control and UNX Calciriol groups when compared to UNX Paricalcitol. Conclusions: Both treatments were able to prevent the reduction in heart capillarization induced by the UNX model. Treatment with Calcitriol at the employed dose and duration, though, induced significant vascular calcifications.