Background: Vascular Calcification (VC) is the abnormal deposition of calcium -phosphate salts in the blood vessel, contributing to high cardiovascular mortality and morbidity rates among patients with chronic kidney disease (CKD). As effective treatment options are currently lacking, an understanding of VC pathogenesis plays a key role. The complicated composition and structure of the vascular wall provide special biomechanical properties. The physiological structure of blood vessels is the prerequisite for maintaining biomechanical properties. VC can damage the normal structure of blood vessels, leading to changes in biomechanical properties. This is largely due to the influence of VC on elastic fibers and collagen fibers. However, currently few methods that describe the changes in biomechanical properties of the arterial wall during VC are available. This study aims to bridge that gap and validate a method to measure the changes in biomechanical properties of the arterial wall during VC. Method: To measure the biomechanical properties of the arterial wall, monitoring is done through the small-vessel-myograph. Five biomechanical parameters (Elow, Ehigh, AUC, σbreaking point, λbreaking point) in the stress-stretch curve were calculated. The thoracic rat aorta was stimulated in time-response curves using various inducers. Both the biomechanical properties and the calcium content were measured in order to validate the method. Results: Firstly, under basal (non-stimulated conditions), both the biomechanical properties and the calcium content in different areas of the aorta were not significantly different. After stimulation of the aortic rings with CAM (Calcification medium) for 14 days, calcification and changes in biomechanical properties could be induced, which did not differ significantly in the individual areas of the thoracic aorta. Then, we compared the biomechanical properties and calcium content between CAM and COM (Control medium) at 3, 7, 14, and 21 days, respectively. High phosphate can affect biomechanical properties during VC, which is related to incubation time. Finally, we use another VC inducer (Azathioprine), which can also affect biomechanical properties during VC and is related to incubation time. However, this effect requires the presence of high phosphate. Conclusion: This study established and validated a protocol for the detection of changes in biomechanical properties of the vessel wall during VC. This protocol expands the current analytical tools in the research field of VC, and can directly describe the changes in biomechanical properties during VC.
Hintergrund: Gefäßverkalkung (VC) ist die abnormale Ablagerung von Kalziumphosphatsalzen in den Blutgefäßen, die zu einer hohen kardiovaskulären Sterblichkeits- und Morbiditätsrate bei Patienten mit chronischer Nierenerkrankung beiträgt. Bislang fehlen wirksame Behandlungsmöglichkeiten der VC in der klinischen Routine. Die Untersuchung der VC-Pathogenese ist daher von zentraler Bedeutung. Die komplexe Struktur und Zusammensetzung der Gefäßwand bietet einzigartige biomechanische Eigenschaften. Die physiologische Struktur der Blutgefäße ist die Voraussetzung für die Aufrechterhaltung der biomechanischen Eigenschaften. VC kann die normale Struktur von Blutgefäßen schädigen, was zu Veränderungen der biomechanischen Eigenschaften führt. Dies ist hauptsächlich auf den Einfluss von VC auf elastische Fasern und Kollagenfasern zurückzuführen. Derzeit sind jedoch nur wenige Methoden verfügbar, die die Veränderungen der biomechanischen Eigenschaften der Arterienwand während der VC beschreiben. Diese Studie zielt darauf ab, diese Lücke zu schließen und eine Methode zur Messung der Veränderungen der biomechanischen Eigenschaften der Arterienwand während der Gefäßverkalkung zu validieren. Methode: Zur Messung der biomechanischen Eigenschaften der Arterienwand erfolgt die Überwachung durch den Small-Vessel-Myograph. Fünf biomechanische Parameter (Elow, Ehigh, AUC, σbreaking point, λbreaking point) in der Spannungs-Dehnungs-Kurve wurden berechnet. Die Stimulation der thorakalen Rattenaorta erfolgte in Zeit-Wirkungs-Kurven mittels verschiedener Induktoren. Sowohl die biomechanischen Eigenschaften, als auch der Kalziumgehalt, als akuteller „Goldstandard“ wurde gemessen, um die Methode zu validieren. Ergebnisse: Unter basalen, nicht stimuierten, Bedingungen waren sowohl die biomechanischen Eigenschaften als auch der Kalziumgehalt in verschiedenen Bereichen der Aorta nicht signifikant verschieden. Nach Stimulation der Aortenringe mit CAM (Calcification medium) für 14 Tage, konnte eine Kalzifizierung und Veränderung der biomechanischen Eigenschaften induzierte werden, die sich in den einzelen Bereichen der thorakalen Aorta nicht signifikant unterschied. Eine Zeit-Wirkungs-Kurve für die Stimulation mit CAM und COM (Kontroll medium) zeigte eine zeitabhängige Induktion der Kalzifizierung über 3, 7, 14 und 21 Tage. Der hohe Phosphatgehalt im CAM verändert die biomechanischen Eigenschaften der Gefäßwand zeitabhängig, die mit einem hohen Kalziumgehalt in der Arterienwand einhergehen. Für einen aus Voruntersuchungen bereits bekannten weiteren Induktor der VC, Azathioprin, konnte ebenfalls eine Veränderung der biomechanischen Eigenschaften der Arterienwand im Kalzifizierungsprozess bestätigt werden. Schlussfolgerung: Diese Studie erstellte und validierte ein Protokoll zur Erkennung von Veränderungen der biomechanischen Eigenschaften der Gefäßwand während der VC. Dieses Protokoll erweitert die aktuellen Analysewerkzeuge im Forschungsfeld der VC und kann die Veränderungen der biomechanischen Eigenschaften während der VC anhand physiologischer Gefäßeigentschaften beschreiben.
