Artificiella hjärtventiler

Moderna, tillgängliga för klinisk användning, biologiska artificiella hjärtklaffar, med undantag för pulmonal autograft, är icke-bärbara strukturer som saknar potential för tillväxt och vävnadsreparation. Detta medför betydande begränsningar för deras användning, särskilt hos barn i korrigering av ventrikulär patologi. Vävnadsteknik har bildats under de senaste 15 åren. Syftet med denna vetenskapliga riktning är skapandet i konstgjorda förhållanden av sådana strukturer som artificiella hjärtventiler med en trombo-resistent yta och livskraftigt interstitium.

[1], [2],

Hur utvecklas artificiella hjärtventiler?

Vetenskapliga begreppet vävnadsteknik är baserad på idén att sedimentering och odling av levande celler (fibroblaster, stamceller, etc.) I en syntetisk eller naturlig absorberbar skelett (matrix) som svarar för en tredimensionell ventilkonstruktionen, såväl som användningen av signaler som reglerar expressionen av gener, organisation och produktivitet transplanteras celler under perioden för bildandet av extracellulär matrix.

Sådana artificiella hjärtklaffar är integrerade med patientens vävnad för slutgiltig restaurering och ytterligare underhåll av dess struktur och funktion. Samtidigt bildas en ny kollagenoelastinram eller mer exakt en extracellulär matris på den ursprungliga matrisen som ett resultat av cellernas funktion (fibroblaster, myofibroblaster, etc.). Som ett resultat av de optimala konstgjorda hjärtklaffar av tissue engineering teknik måste för anatomisk struktur och deras funktion närmare den infödda och har biomekaniska anpassningsförmåga, förmåga att reparera och tillväxt.

Vävnadsteknik utvecklar artificiella hjärtventiler med olika källor till cellskörd. Sålunda kan xenogena eller allogena celler användas, även om den tidigare är associerad med risken för zoonotisk transport till människor. För att minska antigenicitet och förhindra reaktioner av avstötning av organismen är möjlig genom genetisk modifiering av allogena celler. Vävnadsteknik kräver en pålitlig källa till cellproduktion. Denna källa är autogena celler som tas direkt från patienten och ger inte immunsvar vid reimplantation. Effektiva artificiella hjärtklaffar produceras på basis av autologa celler härrörande från blodkärl (artärer och vener). För att erhålla rena cellkulturer har en metod baserad på användningen av fluorescerande aktiverad cellsortering (FACS) utvecklats. En blandad cellpopulation som härrör från ett blodkärl är märkt med en acetylerad lipoproteinmarkör med låg densitet som selektivt absorberas på ytan av endotelcellocyterna. Endotelcyter kan därefter lätt separeras från huvuddelen av celler härledda från kärlen, som kommer att representeras av en blandning av glatta muskelceller, myofibroblaster och fibroblaster. En cellkälla, vare sig den är en artär eller en ven, påverkar egenskaperna hos den slutliga strukturen. Således överträffar konstgjorda hjärtventiler med en matris som sås med venösa celler, vad gäller graden av kollagenbildning och mekanisk stabilitet, strukturerna som såras av artärceller. Valet av perifera vener verkar vara en mer lämplig källa till cellskörd.

Myofibroblaster kan också tas från halspulsåderna. Samtidigt skiljer sig cellerna från kärlen väsentligen från deras naturliga interstitiella celler. Autologa navelsträngceller kan användas som en alternativ cellkälla.

Konstgjorda hjärtventiler baserade på stamceller

Framstegen inom vävnadsteknik under senare år underlättas av stamcellsforskning. Användningen av stamceller av röd benmärg har sina fördelar. I synnerhet möjliggör enkelheten av biomaterialprovtagning och in vitro-odling med efterföljande differentiering i olika typer av mesenkymala celler att undvika användning av intakta kärl. Stamceller är pluripotenta källor till cellkim, har unika immunologiska egenskaper som bidrar till deras stabilitet vid allogena tillstånd.

Mänskliga benmärgsstamceller erhålls genom sternal punktering eller punktering av iliackroppen. De isoleras från 10-15 ml sternumsaspirat, separeras från andra celler och odlas. Vid uppnående av det önskade cellantalet (vanligen inom 21-28 dagar) producera sin sådd (kolonisering) i matrisen odlas i mediet i ett statiskt läge (i 7 dagar i en fuktad inkubator vid 37 ° C i närvaro av 5% CO2). Därefter stimulering av celltillväxt genom kupturalnuyu miljön (biologisk stimuli) eller fysiologiska betingelser genom skapandet av vävnadstillväxt under dess deformation i isometrisk reproduktionsapparaten pulsad - bioreaktor (mekanisk stimuli). Fibroblaster är känsliga för mekaniska stimuli som främjar deras tillväxt och funktionella aktivitet. Pulserande flöde orsakar en ökning i både radiella och periferiella deformationer, vilket resulterar i orientering (töjning) celler befolkade i riktningen av verkan av sådana påkänningar. Detta leder i sin tur till bildandet av orienterade fiberstrukturer av klaffarna. Ett konstant flöde orsakar endast tangentiella påkänningar på väggarna. Det pulserande flödet har en fördelaktig effekt på cellmorfologi, proliferation och kompositionen för den extracellulära matrisen. Naturen hos näringsmediet flöde, fysikalisk-kemiska förhållanden (pH, pO2 och pCO2) i en bioreaktor också avsevärt påverka produktionen av kollagen. Så, laminärt flöde, cykliska virvelströmmar ökar produktionen av kollagen, vilket leder till förbättrade mekaniska egenskaper.

Ett annat tillvägagångssätt i att odla vävnadsstrukturer är att tillhandahålla ett embryonalt tillstånd i bioreaktorn i stället för att modellera de fysiologiska förhållanden hos den mänskliga kroppen. Odlas stamceller vävnads bioklapany har rörliga klaffar och plast operativt-off vid högt tryck och flöde, som överskrider den fysiologiska nivån. Histologiska och histokemiska studier broschyrer av dessa strukturer visade närvaron i dem aktivt kör processer av biologisk nedbrytning av matrisen och ersätta den livsduglig vävnad. Tyglaminatet typ anordnad på egenskaperna hos extracellulära matrisproteiner, sådana egenskaper hos naturlig vävnad genom närvaron av kollagen typ I och III, och av glykosaminoglykaner. Emellertid erhölls en typisk treskiktsstruktur av ventilerna - ventrikulär, porösa och fibrösa skikt. Den detekterade i alla fragment ASMA-positiva celler som uttrycker vimentin har egenskaper som liknar egenskaperna hos myofibroblaster. Elektronmikroskopi av cellelement har visat sig vara typiska för livskraftiga, aktiva sekretoriska myofibroblaster (aktin / myosin filament, garn kollagen, elastin) och på tygytan - endotelceller.

Kollar av I, III-typer, ASMA och vimentin hittades på ventilerna. De mekaniska egenskaperna hos vävnaderna hos vävnaden och de inbyggda strukturerna var jämförbara. Vävnadsartade hjärtventiler visade utmärkt prestanda under 20 veckor och liknade naturliga anatomiska strukturer för deras mikrostruktur, biokemiska profil och bildandet av en proteinmatris.

Alla artificiella hjärtventiler, erhållna genom vävnadsmetodens metod, implanterades i djurets lungposition, eftersom deras mekaniska egenskaper inte motsvarar belastningarna i aortapositionen. Vävnadsventilerna implanterade från djur är strukturellt lika i sin struktur till de nativa, vilket indikerar deras vidare utveckling och omplacering under in vivo-betingelser. Huruvida processen med vävnadsrestrukturering och mognad fortsätter under fysiologiska förhållanden efter att artificiella hjärtventiler har implanterats, vilket observerats i djurförsök, kommer ytterligare studier att visa.

De ideala konstgjorda hjärtklaffar bör ha en porositet av minst 90% eftersom det är viktigt för celltillväxt, leverans av näringsämnen och avlägsnande av cellmetabolismprodukter, Förutom biokompatibilitet och bionedbrytbarhet, bör artificiella hjärtklaffar har kemiskt gynnsamt att inokulera cellytan och anpassa sig mekaniskt egenskaper hos naturlig vävnad. Den nivå av biologisk nedbrytning av matrisen måste kontrolleras och proportionell mot nivån av bildandet av ny vävnad för att garantera den mekaniska stabiliteten under en viss tid.

För närvarande utvecklas syntetiska och biologiska matriser. De vanligaste biologiska materialen för att skapa matriser är donatoranatomiska strukturer, kollagen och fibrin. Polymer konstgjorda hjärtklaffar är konstruerade för att bionedbrytas efter implantation så snart de implanterade cellerna börjar producera och organisera sitt eget extracellulära matrisnätverk. Bildandet av en ny matrisvävnad kan regleras eller stimuleras av tillväxtfaktorer, cytokiner eller hormoner.

[3], [4], [5], [6], [7]

Donator konstgjorda hjärtklaffar

Donor konstgjorda hjärtklaffar som erhållits från människor eller djur och saknar cellulära antigener genom detsellyulyarizatsii att minska sin immunogenicitet, kan användas som matriser. De återstående extracellulära matrisproteiner är en grund för den efterföljande vidhäftningen av celler sådda. Det finns följande metoder för att avlägsna de cellulära elementen (atsellyulyarizatsii): frysning, behandling trypsin / EDTA, tvättmedel - natriumdodecylsulfat, natrium deoksikolatom, Triton X-100, MEGA 10, TnBR CHAPS, Tween 20, såväl som flerstegs enzymatiska behandlingsmetoder. Detta tar bort cellmembranen, nukleinsyror, lipider, cytoplasmiska strukturer och lösliga matrismolekyler med bevarande av kollagen och elastin. Dock har det perfekta sättet ännu inte funnit. Endast natriumdodecylsulfat (0,03-1%) eller natrium deoksikolat (0,5-2%) ledde till fullständigt avlägsnande av celler efter 24 timmars behandling.

Histologisk undersökning fjärr detsellyulyarizovannyh bioklapanov (allograft och xenograft) i experimentella djur (hundar och grisar) har visat att det är en partiell inväxt och endotelialisering myofibroblaster mottagaren per bas, inga tecken på förkalkning. Mindre uttalad inflammatorisk infiltration noterades. Men tidig fel utvecklas i kliniska prövningar detsellyulyarizovannogo ventil SynerGraftTM. Matrisen bestämdes bioprosthesis uttryckt inflammatorisk reaktion, som var initialt icke-specifik och åtföljdes av lymfocytisk reaktion. Dysfunktion och degenerering av bioprostesen utvecklad inom ett år. Cellkolonisering observerades inte i celler, men kalcifiering av ventiler och preimplantationscellsavbrott upptäcktes.

Endotelceller ympade acellulärt matris och odlade i in vitro och in vivo-betingelser bildade ett sammanhängande skikt på ytan av flikarna, och interstitiella celler inokulerade nativa strukturen visade sin förmåga till differentiering. Men för att uppnå den önskade fysiologiska nivån av kolonisering i matrixcellerna misslyckats i dynamiska tillstånd bioreaktorn, och de implanterade konstgjorda hjärtklaffar åtföljdes av snabb nog (tre månader) förtjockning på grund av accelererad cellproliferation och extracellulär matrisbildning. Således i detta skede användningen av donator acellulära matriser för sin kolonisering av celler har ett antal olösta problem, bland annat åtta immunologisk och smittsam typ av arbete detsellyulyarizovannymi bioproteser fortsätter.

Det bör noteras att kollagen också är ett av de potentiella biologiska materialen för framställning av matriser som kan bionedbrytas. Den kan användas i form av skum, gel eller tallrikar, svampar och som en förform på fiberbasis. Användningen av kollagen är emellertid förknippad med ett antal tekniska svårigheter. I synnerhet är det svårt att erhålla från patienten. Därför är de flesta kollagenmatriser för närvarande närvarande av animaliskt ursprung. Den försenade biologiska nedbrytningen av djurkollagen kan bära en ökad risk för zoonotisk infektion, vilket orsakar immunologiska och inflammatoriska reaktioner.

Fibrin är ett annat biologiskt material med kontrollerade egenskaper för biologisk nedbrytning. Eftersom fibringeler kan tillverkas från patientens blod för efterföljande framställning av en autolog matris, kommer implantation av en sådan struktur inte att orsaka dess toxiska nedbrytning och inflammatoriska respons. Fibrin har emellertid sådana nackdelar som diffusion och utlakning i miljön och låga mekaniska egenskaper.

[8], [9], [10], [11], [12]

Konstgjorda hjärtklaffar av syntetmaterial

Konstgjorda hjärtventiler är också gjorda av syntetmaterial. Flera försök att tillverka ventiler matriser var baserade på användningen av polyglaktin, polyglykolsyra (PGA), polilakticheskoy syra (PLA), en sampolymer av PGA och PLA (PLGA) och polyhydroxialkanoater (PHA). Det högporösa syntetiska materialet kan erhållas från vävda eller icke-vävda fibrer och med användning av saltläckningsteknik. Lovande kompositmaterial (PGA / R4NV) för framställning av matriser härledda från en icke-vävda öglor polyglykolsyra (PGA), belagda med poly-4-hydroxibutyrat (R4NV). De tillverkade artificiella hjärtventilerna från detta material steriliseras med etylenoxid. Emellertid en signifikant initial styvhet och tjocklek av slingorna av dessa polymerer, är deras snabba och okontrollerad nedbrytning åtföljs av frigöringen av cytotoxiska produkter av sur, kräver ytterligare utredning och söka efter andra material.

Med användning av autologa vävnadsodlingsplattor myofibroblaster odlats på en ram för att bilda en stödmatris genom att stimulera produktionen av dessa celler gav prover med aktiva ventiler viabla celler omgivna av extracellulär matrix. De mekaniska egenskaperna hos dessa ventils vävnader är emellertid inte tillräckliga för deras implantering.

Den nödvändiga nivån av proliferation och regenerering av vävnaden hos den skapade ventilen kan inte uppnås genom att endast kombinera cellerna och matrisen. Uttryck av cellgenen och vävnadsbildning kan regleras eller stimuleras genom tillsats av tillväxtfaktorer, cytokiner eller hormoner, mitogena faktorer eller adhesionsfaktorer i matriser och matriser. Möjligheten att införa dessa reglerare i biomaterialen i matrisen studeras. I allmänhet finns det en signifikant brist på forskning om reglering av processen med vävnadsventilbildning genom biokemiska stimuli.

Acellulärt porcin heterologa Matrix P pulmonell bioprosthesis innefattar detsellyulyarizovannoy tyg behandlas av en särskild patenterad AutoTissue GmbH förfarande bestående av antibiotikabehandling, natriumdeoxikolat och alkohol Denna bearbetningsmetod som antagits av internationella standardiseringsorganisationen, eliminerar alla levande celler och postkletochnye struktur (fibroblaster, endotelceller, bakterier, virus, svampar, mykoplasma) bibehåller arkitekturen i den extracellulära matrisen, det minskar nivån av DNA och RNA i den vävnad som minim mA, vilket minskar till noll sannolikheten för överföring av porcint endogent retrovirus (PERV) person. Matrix P bioprostesen består uteslutande av kollagen och elastin med bevarad strukturell integration.

Under experiment på får registrerades minsta reaktion från den omgivande vävnaden i 11 månader efter implantationen P Matrix bioprosthesis med god prestanda för dess överlevnad, vilket, i synnerhet, manifesteras i sin blanka inre ytan av endokardiet. Faktum är att det inte fanns inflammatoriska reaktioner, förtjockning och förkortning av ventilflikar. En låg kalciumnivå av Matrix P-bioprostesvävnaden registrerades också, skillnaden var statistiskt signifikant jämfört med det behandlade glutaraldehydet.

Matrix P konstgjorda hjärtklaffar är anpassade till den enskilda patientens förutsättningar för ett par månader efter implantation. I studien vid slutet av referensperioden avslöjade en intakt extracellulär matris och dränerings endotelet. Xenotransplantat Matrix R implanterade i steg Ross utförs i 50 patienter med medfödda defekter i perioden 2002-2004, har visat överlägsen prestanda och lägre transvalvulär tryckgradienter jämfört med kryokonserverade och detsellyulyarizovannymi allograft SynerGraftMT, och ramlösa bioproteser som behandlats med glutaraldehyd. Matris P Konstgjorda hjärtklaffar för lungartären ventilen bytas ut under rekonstruktion av höger kammares utflöde vid kirurgi av medfödda och förvärvade defekter och lungventilprotes vid Ross förfarande, finns i fyra storlekar (inre diameter): Spädbarn (15-17 mm ) barn (18-21 mm), mellanliggande (22-24 mm) och vuxna (25-28 mm).

Framsteg i utvecklingen av ventilerna på grundval av tissue engineering beror på framgångarna med ventil cellbiologi (inklusive genuttryck frågor och reglering), studiet av embryo och ålder av ventilerna (inklusive angiogena och neurogen faktorer), exakt kunskap om biomekanik varje ventil, identifiera tillräckligt för att lösa celler utveckling av optimala matriser. För ytterligare utveckling av mer avancerade vävnadsventiler, till en fullständig förståelse av förhållandet mellan de mekaniska och strukturella egenskaperna hos den nativa ventilen och incitament (biologiska eller mekaniska) återskapa dessa egenskaper in vitro.

[13], [14], [15], [16]