Studien zur Konditionierung von Gefäßmaterial verschiedenster Art in vitro erfordern ein Kreislaufmodell, welches zum einen weitgehend physiologische Verhältnisse zur Verfügung stellt und zum anderen eine größtmögliche Flexibilität in der Beeinflussung der Konditionierungsparameter und in der Methode der Messwerterhebung bietet. Auf Basis der derzeitigen Literatur über Bioreaktoren und Erkenntnisse zur Blutgefäßkonditionierung entwickelten wir ein neuartiges Perfusions-/Superfusionssystem, welches den zu Beginn genannten Forderungen gerecht werden soll. Für einen routinemäßigen Betrieb und Erstellung physiologischer Milieus auch über längere Zeiträume wurde die Anlage weiter optimiert und verschiedene Methodiken erarbeitet. Der Bioreaktor ist in der Lage, physiologische Druckkurven, Pulsationen, Volumenflüsse und Gaspartialdrücke zu erstellen, eine Änderung dieser Parameter ist jederzeit möglich. Durch Superfusionsfluss und Rotationseinrichtung wird eine Blutgefäßzüchtung durch Rotationsbesiedelung mit extraluminaler Nährstoffversorgung durchführbar. Zur direkten Bestätigung einiger dieser Anlageneigenschaften wurden Rindervenen über vier und acht Tage sowie unter physiologischen Scherkräften (2,2 dyn/cm2 gegenüber 0,5 dyn/cm2) und unter zusätzlichem intraluminalen Druck (20 mmHg) über vier Tage inkubiert. Dabei wurden täglich Messungen von Elektrolyt- Glucose- und Laktatkonzentrationen sowie Gaspartialdrücken und pH-Wert vorgenommen, außerdem Gefäßfunktion und -morphologie vor und nach Inkubation bestimmt. Es zeigten sich konstante pCO2- und pH-Werte. Die Elektrolytkonzentrationen stiegen leicht an, am ehesten durch konstanten minimalen Wasserverlust (ca. 4,62 %/Tag) bedingt, welcher sich z.B. durch einen Perfusor leicht ausgleichen ließe. Entsprechend den Änderungen des Sauerstoffpartialdrucks über die Rindervene sowie der Laktat- und D-Glukosekonzentrationen über die Zeit präsentierten die Rindervenen neben einem aeroben Stoffwechsel einen anaeroben Stoffwechsel mit einem glykolytischen Metabolismus unter allen Inkubationsbedingungen außer unter erhöhten Scherkräften mit zusätzlichem intraluminalen Druck. Letztere bewirkten eine im Vergleich zu dem Verbrauch von D-Glukose vermehrte Laktatproduktion, was eine anaerobe Verstoffwechselung weiterer derzeit noch unklarer Substanzen vermuten lässt.
Unser Perfusions-/Superfusionssystem ist zusammen mit der entwickelten Methodik in der Lage, Blutgefäßforschung und -konditionierung, insbesondere im Bereich der Blutgefäßzüchtung, in vitro zu betreiben und somit dazu beizutragen, Ansatzpunkte für das Verständnis und die Behandlung vaskulärer Krankheitsbilder zu liefern.

Blood vessel conditioning requires an in vitro perfusion model which provides basic physiological conditions but also offers a wide range of tunable parameters and access to key analytical data. We developed a novel perfusion and superfusion system which builds on the current published literature about perfusion systems with a special focus on the aforementioned requirements. The perfusion system was further optimized and operating procedures were developed to allow maintenance of physiological conditions over long periods of time routinely. Tunable parameters included pulsation of appropriate frequencies and adjustable flow rates to simulate physiological pulsatile flow as well as oxygen (pO2) and carbon dioxide (pCO2) partial pressures. The system provided a constant medium flow through the superfusion circuit even in the course of rotational cell seeding for vascular tissue engineering to maintain nutrient and oxygen concentrations in the sample. As a proof of functioning, the perfusion system was used to determine the influence of luminal pressure and/or shear forces on blood vessel function and structure using bovine medial saphenous veins as a model. Vessels were perfused for 4 or 8 days, comparing standard perfusion conditions (0,5 dyn/cm2, no additional luminal pressure), physiological shear forces (2,2 dyn/cm2), and physiological shear forces combined with an elevated luminal pressure (20 mm Hg). Medium samples were retrieved once per day to obtain oxygen, carbon dioxide, pH, dextrose, lactate, and electrolyte readings in a blood gas analyzer. Vessel function and morphology were compared in fresh and perfused samples. The perfusion system provided constant pCO2 levels and maintained physiological pH. There was a slight increase of electrolyte concentrations over time which is easily explained by water evaporation at a rate of 4.6 % per day. Water losses could be compensated by means of an infusion pump. The lack of changes of pO2 as well as the normalized dextrose consumption and lactate production data indicated glycolysis and lactate fermentation under most conditions except in the presence of physiological shear forces and elevated luminal pressure. In the latter case lactate production exceeded normalized dextrose consumption, indicating the use of additional energy sources.
Our perfusion system and our operating procedures thus allowed to model the effects of mechanical stimuli in an in vitro model and contributed to our understanding of blood vessel function and pathogenesis.