Kunstige hjerteventiler

Moderne, tilgjengelig for klinisk bruk, biologiske kunstige hjerteventiler, med unntak av pulmonal autograft, er ikke-levedyktige strukturer som mangler potensial for vekst og vevsreparasjon. Dette pålegger betydelige begrensninger på deres bruk, særlig hos barn i korrigering av valvulær patologi. Vevsteknikk er dannet de siste 15 årene. Hensikten med denne vitenskapelige retning er etableringen i kunstige forhold for slike strukturer som kunstige hjerteventiler med en trombo-resistent overflate og levedyktig interstitium.

[1], [2],

Hvordan utvikles kunstige hjerteventiler?

Vitenskapelige begrepet vev teknikk er basert på ideen om settling og dyrking av levende celler (fibroblaster, stamceller, etc.) i et syntetisk eller naturlig absorberbare skjelett (matrise) som representerer en tredimensjonal ventilkonstruksjon, så vel som anvendelse av signaler som regulerer ekspresjon av gener, organisasjon og produktivitet transplantert celler i perioden med dannelse av den ekstracellulære matriksen.

Slike kunstige hjerteventiler er integrert med pasientens vev for endelig restaurering og videre opprettholdelse av dets struktur og funksjon. Samtidig dannes et nytt kollagenoelastinramme eller mer presist en ekstracellulær matrise på den opprinnelige matrisen som et resultat av cellers funksjon (fibroblaster, myofibroblaster, etc.). Som et resultat bør optimale kunstige hjerteventiler opprettet ved metoden for vevsteknikk, ved deres anatomiske struktur og funksjon nærmer seg den innfødte, og også ha biomekanisk tilpasningsevne, evne til å reparere og vokse.

Vevteknikk utvikler kunstige hjerteventiler ved hjelp av ulike kilder til cellehøsting. Dermed kan xenogene eller allogene celler anvendes, selv om de førstnevnte er forbundet med risikoen for zoonotisk transport til mennesker. For å redusere antigenicitet og forhindre reaksjoner av avvisning av organismen er mulig ved genetisk modifikasjon av allogene celler. Vevsteknikk krever en pålitelig kilde til celleproduksjon. Denne kilden er autogene celler tatt direkte fra pasienten og gir ikke immunrespons under reimplantasjon. Effektive kunstige hjerteventiler produseres på grunnlag av autologe celler avledet fra blodkar (arterier og årer). For å oppnå rene cellekulturer ble en metode basert på bruk av fluorescerende aktivert cellesortering - FACS - utviklet. En blandet cellepopulasjon avledet fra et blodkar er merket med en acetylert lipoproteinmarkør med lav tetthet, som selektivt absorberes på overflaten av endotelcellene. Endotelcytter kan etterfølgende lett separeres fra hovedparten av celler avledet fra karene, som vil bli representert ved en blanding av glatte muskelceller, myofibroblaster og fibroblaster. En kilde til celler, det være seg en arterie eller en vene, vil påvirke egenskapene til den endelige strukturen. Således overgår kunstige hjerteventiler med en matrise som er sådd med venøse celler, i form av graden av kollagendannelse og mekanisk stabilitet, strukturer som er sådd av arterielle celler. Valget av perifere årer synes å være en mer praktisk kilde til cellehøsting.

Myofibroblaster kan også tas fra karoten arterier. Samtidig avviker cellene som er oppnådd fra karene, vesentlig fra deres naturlige interstitiale celler. Autologe navlestrengscellene kan brukes som en alternativ kilde til celler.

Kunstige hjerteventiler basert på stamceller

Fremdriften av vevsteknikk de siste årene blir lettere ved hjelp av stamcelleforskning. Bruken av stamceller av rødt benmarg har sine fordeler. Spesielt tillater enkelheten av biomaterialprøvetaking og in vitro-dyrkning med etterfølgende differensiering i forskjellige typer mesenkymale celler å unngå bruk av intakte kar. Stamceller er pluripotente kilder til cellekremer, har unike immunologiske egenskaper som bidrar til stabiliteten i allogene forhold.

Menneskelige beinmargestamceller er oppnådd ved sternal punktering eller punktering av iliackampen. De isoleres fra 10-15 ml sternum aspirat, separert fra andre celler og dyrket. Etter å ha nådd den ønskede cellenummer (vanligvis innen 21-28 dager) produsere sin såing (kolonisering) i matrisen er dyrket i medium i en statisk posisjon (i 7 dager i en fuktet inkubator ved 37 ° C i nærvær av 5% CO2). Deretter stimulering av cellevekst gjennom kupturalnuyu miljø (biologisk stimuli) eller fysiologiske tilstander gjennom dannelsen av vev vekst under dens deformasjon i isometrisk gjengivelse apparat pulset - bioreaktor (mekanisk stimuli). Fibroblaster er følsomme for mekaniske stimuli som fremmer vekst og funksjonell aktivitet. Pulserende strømning fører til en økning i både radiale og perifer deformasjoner, som fører til orientering (forlengelse) av de befolket celler i retning av virkningen av slike spenninger. Dette fører i sin tur til dannelsen av orienterte fiberstrukturer av klaffene. En konstant strøm forårsaker bare tangentielle påkjenninger på veggene. Den pulserende strømningen har en gunstig effekt på cellemorfologi, proliferasjon og sammensetningen av den ekstracellulære matriksen. Naturen av strømmen av næringsmediet, de fysisk-kjemiske forholdene (pH, pO2 og pCO2) i bioreaktoren påvirker også produksjonen av kollagen betydelig. Så, laminar strømning, cykliske eddy strømmer øker produksjonen av kollagen, noe som fører til forbedrede mekaniske egenskaper.

En annen tilnærming i voksende vevstrukturer er å skape embryonale forhold i bioreaktoren i stedet for å modellere de fysiologiske forholdene til menneskekroppen. Voksen stamcelle vev bioklapany har bevegelige klaffer og plast som er operativt-off ved høyt trykk og strømning, som overstiger det fysiologiske nivå. Histologiske og histokemiske studier av brosjyrene til disse strukturer viste nærværet i dem for aktivt å gjennomføre bionedbrytingsprosesser av matrisen og dens erstatning med levedyktig vev. Tskstillammatet typen anordnet på egenskapene til ekstracellulære matriksproteiner, slike egenskaper av naturlig vev av tilstedeværelsen av kollagen type I og III, og av glykosaminoglykaner. Imidlertid ble det ikke oppnådd en typisk tre-lags struktur av ventiler - ventrikulære, svampete og fibrøse lag. Oppdaget i alle fragmenter, hadde ASMA-positive celler som uttrykker vimentin egenskaper som ligner egenskapene til myofibroblaster. Elektronmikroskopi av celleelementer har blitt funnet å være karakteristisk for levedyktige, aktive sekretoriske myofibroblasts (aktin-myosin / filament, garn kollagen, elastin) og på dukoverflaten - endotelceller.

Klemmer av I, III typer, ASMA og vimentin ble funnet på ventiler. De mekaniske egenskapene til vingene i vevet og innfødte strukturer var sammenlignbare. Vevet kunstige hjerteventiler viste utmerket ytelse i 20 uker og lignet naturlige anatomiske strukturer for deres mikrostruktur, biokjemisk profil og dannelse av en proteinmatrise.

Alle kunstige hjerteventiler, oppnådd ved fremgangsmåten for vevsteknikk, ble implantert i lungeposisjonen av dyret, siden deres mekaniske egenskaper ikke tilsvarer belastningene i aortaposisjonen. Vevsventilene som er implantert fra dyr, er strukturelt like i sin struktur til de innfødte, noe som indikerer deres videre utvikling og omlegging under in vivo betingelser. Hvorvidt prosessen med vevsrekonstruksjon og modning vil fortsette i fysiologiske forhold etter at kunstige hjerteventiler er implantert, som observert i dyreforsøk, vil videre studier vise.

De ideelle kunstige hjerteventiler bør ha en porøsitet på ikke mindre enn 90%, fordi det er essensielt for cellevekst, levering av næringsstoffer og fjerning av cellemetabolismeprodukter, i tillegg til biokompatibilitet og biologisk nedbrytbarhet bør kunstige hjerteventiler har kjemisk gunstig å inokulere celleoverflaten og i overensstemmelse mekanisk egenskaper av naturlig vev. Nivået på biologisk nedbrytning av matrisen må styres og proporsjonal med nivået av dannelse av det nye vevet for å sikre en garanti for mekanisk stabilitet i en viss tid.

For tiden utvikles syntetiske og biologiske matriser. De vanligste biologiske materialene for å lage matriser er donoranatomiske strukturer, kollagen og fibrin. Polymer kunstige hjerteventiler er utformet for å bionedbryte etter implantasjon så snart de implanterte cellene begynner å produsere og organisere sitt eget ekstracellulære matriksnettverk. Dannelsen av et nytt matriksvev kan reguleres eller stimuleres av vekstfaktorer, cytokiner eller hormoner.

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

Donor kunstige hjerteventiler

Donor kunstige hjerteklaffer fremstilt av mennesker eller dyr og blottet for cellulære antigener ved detsellyulyarizatsii for å redusere deres immunogenisitet, kan anvendes som matrikser. De konserverte proteiner fra den ekstracellulære matriksen er grunnlaget for den etterfølgende adhesjon av cellene som er sådd. Det finnes følgende metoder for å fjerne cellulære elementer (atsellyulyarizatsii): frysing, behandling trypsin / EDTA, vaskemiddel - natrium-dodecyl-sulfat, natrium deoksikolatom, Triton X-100, MEGA 10, TnBR CHAPS, Tween 20, så vel som multi-trinns enzymatisk behandlingsmetoder. Dette fjerner cellemembranene, nukleinsyrer, lipider, cytoplasmiske strukturer og oppløselige matriksmolekyler med bevaring av kollagen og elastin. Imidlertid er det ikke funnet en ideell metode. Bare dodecylnatriumsulfat (0,03-1%) eller natriumdeoksykolat (0,5-2%) resulterte i fullstendig cellefjerning etter 24 timers behandling.

Histologisk undersøkelse fjern detsellyulyarizovannyh bioklapanov (allograft og xenograft) i eksperimentelle dyr (hunder og griser) har vist at det er en delvis innvekst og endotelialisering myofibroblasts mottakeren pr base, ingen tegn til forkalkning. Moderat uttalt inflammatorisk infiltrering ble notert. Imidlertid utviklet tidlig insuffisiens i kliniske studier av den decellulariserte SynerGraftTM-ventilen. I matriksen av bioprostesen ble en uttalt inflammatorisk reaksjon bestemt, som i begynnelsen var ikke-spesifikk og ble ledsaget av en lymfocytisk reaksjon. Dysfunksjon og degenerasjon av bioprostesen utviklet innen ett år. Cell-kolonisering ble ikke observert i celler, men kalsifisering av ventiler og preimplantasjonscelleavfall ble påvist.

Endotelceller seeded acellulær matrise- og dyrket i in vitro- og in vivo-betingelser dannes et sammenhengende lag på overflaten av klaffene, og interstitielle celler inokulert opprinnelige struktur viste deres evne til differensiering. Men for å oppnå det ønskede fysiologiske nivå av kolonisering i matrisecellene mislyktes ved dynamiske tilstander i bioreaktor, og de implanterte kunstige hjerteklaffer ble ledsaget av hurtig nok (tre måneder) fortykkelse på grunn av akselerert celledeling og ekstracellulær matrisedannelse. Således, på dette trinn ved bruk av donor acellulære matriser for deres kolonisering av celler som har en rekke uløste problemer, inkludert 8-immunologisk og smittsomme arbeidets art detsellyulyarizovannymi bioproteser fortsetter.

Det skal bemerkes at kollagen er også et av de potensielle biologiske materialene for fremstilling av matriser som er i stand til biologisk nedbrytning. Den kan brukes i form av skum, gel eller plater, svamper og som en preform på fiberbasis. Imidlertid er bruken av kollagen forbundet med en rekke teknologiske vanskeligheter. Spesielt er det vanskelig å oppnå fra pasienten. Derfor er for tiden de fleste kollagenmatriser av animalsk opprinnelse. Den forsinkede bionedbrytningen av dyrkollagen kan bære en økt risiko for zoonotisk infeksjon, forårsaker immunologiske og inflammatoriske responser.

Fibrin er et annet biologisk materiale med kontrollerte egenskaper ved bionedbrytning. Siden fibringeler kan fremstilles fra pasientens blod til den etterfølgende fremstilling av en autolog matrise, vil implantering av en slik struktur ikke forårsake dens giftige nedbrytning og inflammatorisk respons. Imidlertid har fibrin slike ulemper som diffusjon og utluting i miljøet og lave mekaniske egenskaper.

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

Kunstige hjerteventiler laget av syntetiske materialer

Kunstige hjerteventiler er også laget av syntetiske materialer. Flere forsøk på å produsere ventiler matrikser var basert på bruk av polyglaktin, polyglykolsyre (PGA), polilakticheskoy syre (PLA), en kopolymer av PGA og PLA (PLGA) og polyhydroksyalkanoater (PHA). Det meget porøse syntetiske materialet kan oppnås fra vevde eller ikke-vevde fibre og ved bruk av saltlakkingsteknologi. Lovende komposittmateriale (PGA / R4NV) for fremstilling av matriser som stammer fra et ikke-vevede sløyfer polyglykolsyre (PGA), belagt med poly-4-hydroksybutyrat (R4NV). De produserte kunstige hjerteventilene fra dette materialet steriliseres med etylenoksyd. Imidlertid er en viktig første stivhet og tykkelse av løkker av disse polymerer, er deres hurtige og ukontrollert degradering ledsages av frigjøring av cytotoksiske produkter av sur, kreve ytterligere forsøk og alle andre materialer.

Ved hjelp av autologe vevskulturplater myofibroblasts dyrket på en ramme for å danne en støttematrise ved å stimulere produksjonen av disse cellene ga prøvene med aktive ventiler levedyktige celler som er omgitt av ekstracellulær matriks. Imidlertid er de mekaniske egenskapene til vevene i disse ventiler ikke tilstrekkelige for deres implantasjon.

Det nødvendige nivået av proliferasjon og regenerering av vevet av den opprettede ventilen kan ikke oppnås ved bare å kombinere cellene og matrisen. Ekspresjon av cellegenet og vevdannelsen kan reguleres eller stimuleres ved tilsetning av vekstfaktorer, cytokiner eller hormoner, mitogene faktorer eller adhesjonsfaktorer i matriser og matriser. Muligheten for å innføre disse regulatorene i biomaterialene til matrisen blir studert. Generelt er det en signifikant mangel på forskning på reguleringen av prosessen med væskeventildannelse ved biokjemiske stimuli.

Acellulær porcine heterologe Matrix P pulmonal bioprotese omfatter detsellyulyarizovannoy stoff behandlet med en spesiell patentert AutoTissue GmbH prosedyre bestående av antibiotikabehandling, natriumdeoksycholat og alkohol Dette behandlingsmetoden vedtatt av International Organization for Standardization, eliminerer alle levende celler og postkletochnye struktur (fibroblaster, endotelceller bakterier, virus, sopp, mykoplasma) beholder arkitekturen av den ekstracellulære matriks, det reduserer nivået av DNA og RNA i vevet til minim mA, som reduseres til null sannsynligheten for overføring av svine endogent retrovirus (perv) person. Matrise P Bioprotese utelukkende består av kollagen og elastin med bevarte strukturelle integrasjon.

Under forsøk med sauer ble registrert minimal reaksjon fra det omgivende vevet i 11 måneder etter implantasjonen P Matrix bioprotese med god ytelse av dens overlevelse, noe som, spesielt, manifestert i dens blanke indre overflate av endocardium. Faktisk var det ingen inflammatoriske reaksjoner, fortykkelse og forkorting av ventilflapper. Et lavt kalsiumnivå av Matrix P-bioprostesevevet ble også registrert, forskjellen var statistisk signifikant sammenlignet med det behandlede glutaraldehydet.

Matrise P kunstige hjerteventiler er tilpasset den enkelte pasients forhold for et par måneder etter implantasjon. I studien ved enden av referanseperioden viste en intakt ekstracellulær matriks og avløp endotel. Xenotransplantater Matrix R implantert i trinn Ross utført på 50 pasienter med medfødte defekter i perioden fra 2002 til 2004 har vist seg overlegen ytelse og lavere transvalvular trykkgradienter sammenlignet med kryokonserverte og detsellyulyarizovannymi allograft SynerGraftMT, og rammeløse bioproteser behandlet med glutaraldehyd. Matrise P Kunstige hjerteventiler for lungearterien ventilerstatning under gjenoppbygging av høyre ventrikkel utløpskanalen etter inngrep av medfødt og ervervet defekter og lunge ventilen protesen ved Ross fremgangsmåte, er tilgjengelig i fire størrelser (indre diameter): Infant (15-17 mm ) barn (18-21 mm), middels (22-24 mm) og voksen (25-28 mm).

Fremskritt i utviklingen av ventilene på basis av vev engineering vil avhenge av suksessen av ventilen cellebiologi (inkludert genekspresjon problemer og regulering), studiet av embryo og alder av ventilene (inkludert angiogene og nevrogene faktorer), nøyaktig kjennskap til de biomekaniske i hver ventil, identifisere tilstrekkelig for å løse cellene utvikling av optimale matriser. For videreutvikling av mer avanserte vevsklaffer, til en fullstendig forståelse av forholdet mellom de mekaniske og strukturelle egenskaper av det native ventil og insentiver (biologiske eller mekaniske) gjenskape disse egenskaper in vitro.

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