Изкуствени сърдечни клапи

Съвременните, достъпни за клинични цели, биологичните изкуствени сърдечни клапи, с изключение на белодробния автоплант, са нежизнеспособни структури, които нямат потенциал за растеж и възстановяване на тъканите. Това налага значителни ограничения за употребата им, особено при децата при корекция на клапната патология. През последните 15 години се формира тъканно инженерство. Целта на това научно направление е създаването в изкуствени условия на такива структури като изкуствени сърдечни клапи с тромбоустойчива повърхност и жизнеспособен интерстициум.

[1], [2],

Как се развиват изкуствените сърдечни клапи?

Научната концепция на тъканното инженерство се основава на идеята за утаяване и култивиране на живите клетки (фибробласти, стволови клетки и т.н.) в синтетичен или естествен резорбируеми скелет (матрица), представляващи триизмерна структура клапан, както и използването на сигнали, които регулират експресията на гени, организация и производителността трансплантиран клетки през периода на образуване на извънклетъчната матрица.

Такива изкуствени сърдечни клапи са интегрирани с тъканта на пациента за окончателно възстановяване и по-нататъшна поддръжка на неговата структура и функция. Така на първоначалната матрица в резултат на операция клетки (фибробласти и миофибробласти др.), Нова конструкция kollagenoelastinovy или по-точно, извънклетъчната матрица. В резултат на това оптималните изкуствени сърдечни клапи от тъканното инженерство техника мъст от анатомична структура и тяхната функция по-близо до родния и имат биомеханични адаптивност, способността да се ремонтира и растеж.

Тъканното инженерство развива изкуствени сърдечни клапи, като използва различни източници на събиране на клетки. Така могат да се използват ксеногенни или алогенни клетки, въпреки че първите са свързани с риска от транспортиране на зоонози при хора. За намаляване на антигенността и предотвратяване на реакциите на отхвърляне на организма е възможно чрез генетична модификация на алогенни клетки. Тъканното инженерство изисква надежден източник на клетъчно производство. Този източник е автогенни клетки, взети директно от пациента и не дават имунни отговори при повторно имплантиране. Ефективните изкуствени сърдечни клапи се произвеждат въз основа на автоложни клетки, получени от кръвоносни съдове (артерии и вени). За получаване на чисти клетъчни култури е разработен метод, основаващ се на използването на флуоресцентно активирано клетъчно сортиране (FACS). Смесена клетъчна популация, получена от кръвоносен съд, е обозначен като ацетилиран липопротеин с ниска плътност маркер, който селективно се абсорбира върху повърхността на ендотелните клетки. Ендотелиоцитите могат впоследствие лесно да се отделят от по-голямата част от клетките, получени от съдовете, които ще бъдат представени от смес от гладкомускулни клетки, миофибробласти и фибробласти. Източникът на клетки, било то артерия или вена, ще повлияе на свойствата на крайната структура. По този начин, изкуствените сърдечни клапи с матрица, засети с венозни клетки, по отношение на степента на образуване на колаген и механична стабилност, надминават структурите, засети от артериални клетки. Изборът на периферните вени изглежда е по-удобен източник на събиране на клетки.

Миофибробластите могат също да бъдат взети от каротидните артерии. В същото време клетките, получени от съдовете, се различават по същество от техните естествени интерстициални клетки. Автоложните клетки от пъпна връв могат да се използват като алтернативен източник на клетки.

Изкуствени сърдечни клапи, базирани на стволови клетки

Напредъкът в тъканното инженерство през последните години се улеснява от изследванията на стволови клетки. Използването на стволови клетки от червен костен мозък има своите предимства. По-специално, простотата на вземане на проби от биоматериали и култивирането in vitro с последваща диференциация в различни типове мезенхимни клетки позволява да се избегне използването на непокътнати съдове. Стволовите клетки са плурипотентни източници на клетъчни микроби, имат уникални имунологични характеристики, които допринасят за тяхната стабилност при алогенни условия.

Човешки стволови клетки от костен мозък се получават чрез стерна пункция или пробиване на иличния гръден кош. Те са изолирани от 10-15 ml аспират на гръдната кост, отделени от други клетки и култивирани. При достигане на желания брой на клетките (обикновено в рамките на 21-28 дни) произвеждат им посев (колонизация) в матрицата се култивира в среда, в статично положение (в продължение на 7 дни в овлажнен инкубатор при 37 ° С в присъствието на 5% СО2). След стимулиране на клетъчния растеж чрез kupturalnuyu среда (биологични дразнители) или физиологични условия чрез създаване на растежа на тъканите по време на деформация в изометричен апарат възпроизвеждане импулсни - биореактор (механични стимули). Фибробластите са чувствителни към механични стимули, които подпомагат растежа и функционалната им активност. Пулсиращият поток причинява увеличение както на радиалните, така и на периферните деформации, което води до ориентация (удължаване) на населените клетки в посоката на действие на такива напрежения. Това от своя страна води до образуването на ориентирани влакнести структури на клапите. Постоянният поток причинява само тангенциални напрежения по стените. Пулсиращият поток има благоприятен ефект върху клетъчната морфология, пролиферацията и състава на извънклетъчната матрица. Природата на потока на хранителната среда, физико-химичните условия (рН, pO2 и pCO2) в биореактора също значително влияят върху производството на колаген. Така че ламинарният поток, цикличните вихрови токове увеличават производството на колаген, което води до подобрени механични свойства.

Друг подход при отглеждането на тъканни структури е да се създадат ембрионални условия в биореактора, вместо да се моделират физиологичните условия на човешкото тяло. Култивирани на базата на стволови клетки, тъканните биолапи имат подвижни и пластмасови клапани, които са функционално добре възприети при излагане на високо налягане и поток над физиологичното ниво. Хистологични и хистохимични изследвания на листовете на тези структури показват наличието в тях на активно протичане на процесите на биоразграждане на матрицата и нейното заместване с жизнеспособна тъкан. Тъканта е организирана в ламиниран тип с характеристиките на протеини на извънклетъчна матрица, подобни на характеристиките на естествената тъкан чрез наличието на колаген тип I и III и гликозаминогликани. Въпреки това не е получена типична трипластова структура на клапите - вентрикуларни, гъбични и влакнести слоеве. Открити във всички фрагменти, ASMA-положителните клетки, експресиращи виментин, имат характеристики, подобни на характеристиките на миофибробластите. Електронна микроскопия на клетъчни елементи са открити да бъде характеристика на жизнеспособни, активни секреторни миофибробласти (актин / миозин нишки, прежда, колаген, еластин) и върху повърхността на тъканта - ендотелни клетки.

На вентилите са открити нашийници от типове I, III, ASMA и vimentin. Механичните свойства на крилата на тъканта и нативните структури са сравними. Тъканните изкуствени сърдечни клапи показват отлично представяне в продължение на 20 седмици и приличат на естествени анатомични структури за тяхната микроструктура, биохимичен профил и образуването на протеинова матрица.

Всички изкуствени сърдечни клапи, получени чрез метода на тъканното инженерство, се имплантират в белодробно положение от животното, тъй като техните механични характеристики не съответстват на товарите в аортната позиция. Тъканните клапи, имплантирани от животни, са структурно сходни в структурата си с тези на естествените, което показва тяхното по-нататъшно развитие и пренареждане при in vivo условия. Дали процесът на преструктуриране и узряване на тъканите ще продължи при физиологични условия след имплантиране на изкуствени сърдечни клапи, както се наблюдава при експерименти с животни, ще се появят допълнителни проучвания.

Идеални изкуствени сърдечни клапи трябва да имат порьозност от не по-малко от 90%, тъй като е от съществено значение за растежа на клетките, доставката на хранителни вещества и отстраняване на клетъчния метаболизъм продукти, В допълнение към биосъвместимост и биоразградимост, изкуствени сърдечни клапи трябва да имат химически благоприятни за инокулиране на клетъчната повърхност и съответства механично свойства на естествена тъкан. Нивото на биоразграждане на матрицата трябва да бъде контролирано и пропорционално на нивото на образуване на новата тъкан, за да се гарантира гаранция за механична стабилност за определено време.

Понастоящем се разработват синтетични и биологични матрици. Най-често срещаните биологични материали за създаване на матрици са донорните анатомични структури, колагенът и фибринът. Полимерните изкуствени сърдечни клапи са предназначени да биоразграждат след имплантиране, веднага щом имплантираните клетки започнат да произвеждат и организират своята собствена извънклетъчна матрична мрежа. Образуването на нова матрична тъкан може да бъде регулирано или стимулирано от растежни фактори, цитокини или хормони.

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

Кървави изкуствени клапи донори

Донорни изкуствени сърдечни клапи, получени от хора или животни и лишена от клетъчни антигени от detsellyulyarizatsii да се намали тяхната имуногенност, могат да се използват като матрици. Останалите екстрацелуларни матриксни протеини са основа за последващо адхезията на клетки, засети. Има следните методи за отстраняване на клетъчните елементи (atsellyulyarizatsii): замразяване, третиране с трипсин / EDTA, детергент - натриев додецил сулфат, натриев deoksikolatom, Triton Х-100, MEGA 10, TnBR CHAPS, Tween 20, както и многоетапни методи за лечение ензимно. Това премахва клетъчните мембрани, нуклеинови киселини, липиди, цитоплазмени структури и разтворими матрични молекули с опазване на колаген и еластин. Все пак, все още не е намерен идеален метод. Само натриев додецил сулфат (0.03-1%) или натриев deoksikolat (0.5-2%) води до пълното отстраняване на клетките след 24 часа третиране.

Хистологично изследване дистанционно detsellyulyarizovannyh bioklapanov (алографт и ксенографт) в експериментални животни (кучета и прасета) са показали, че има частично врастване и endothelialization миофибробласти получател на база, няма признаци на калциране. Установено е умерено изразена възпалителна инфилтрация. Въпреки това, при клиничните изпитвания на внезапния вентил SynerGraftTM се развива ранна недостатъчност. Матрицата се определя bioprosthesis изразена възпалителна реакция, която първоначално е неспецифична и се придружава от лимфоцитна реакция. Дисфункцията и дегенерацията на биопротезата се развиват в рамките на една година. Колонизацията на клетките не се наблюдава в клетките, но се открива калцификация на клапани и предмитативни клетъчни отломки.

Ендотелните клетки схемата безклетъчна матрица и култивирани в ин витро и ин виво условия образуват съгласуван слой върху повърхността на клапите, и интерстициални клетки, инокулирани роден структура показват тяхната способност за диференциране. Въпреки това, за постигане на желания физиологичен нивото на колонизация в клетките матрични успели в динамични условия на биореактора и имплантирани изкуствени сърдечни клапи са придружени от достатъчно бързо (три месеца) сгъстяване поради ускорено клетъчна пролиферация и образуване на извънклетъчната матрица. По този начин, на този етап използването на донор безклетъчни матрици за тяхното колонизиране от клетки има редица нерешени проблеми, включително 8 имунологична и инфекциозен характер на bioprostheses на работа detsellyulyarizovannymi продължава.

Трябва да се отбележи, че колагенът също е един от потенциалните биологични материали за производството на матрици, способни на биоразграждане. Може да се използва под формата на пяна, гел или плочи, гъби и като преформа на влакна. Използването на колаген обаче е свързано с редица технологични трудности. По-специално, е трудно да се получи от пациента. Ето защо, понастоящем повечето колагенни матрици са от животински произход. Забавеното биоразграждане на животински колаген може да доведе до повишен риск от заразяване със зоонози, да причини имунологични и възпалителни реакции.

Фибринът е друг биологичен материал с контролирани характеристики на биоразграждане. Тъй като фибриновите гелове могат да бъдат направени от кръвта на пациента за последващо производство на автоложна матрица, имплантирането на такава структура няма да предизвика токсично разграждане и възпалителен отговор. Фибринът обаче има такива недостатъци като дифузия и излугване в околната среда и ниски механични характеристики.

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

Изкуствени сърдечни клапани от синтетични материали

Изкуствените сърдечни клапи също са изработени от синтетични материали. Няколко опита за производство клапани матрици се основава на използването на полиглак, полигликолова киселина (PGA), polilakticheskoy киселина (PLA), съполимер на PGA и PLA (PLGA) и полихидроксиалканоати (РНА). Силно порестият синтетичен материал може да бъде получен от тъкани или нетъкани влакна и използвайки технология за извличане на сол. Обещаваща композитен материал (PGA / R4NV) за производство на матрици получени от нетъкани бримки полигликолова киселина (PGA), покрити с поли-4-хидроксибутират (R4NV). Произведените изкуствени сърдечни клапи от този материал се стерилизират с етилен оксид. Въпреки това, значителна първоначална твърдост и дебелина на контурите на тези полимери, бързо и неконтролирано тяхното разграждане е съпроводено от освобождаване на цитотоксични продукти на кисела, изискват по-нататъшно проучване и търсене на други материали.

Използване на автоложни плаки за тъканна култура миофибробласти култивирани върху рамка за образуване на матрица подкрепа чрез стимулиране на производството на тези клетки се получават проби с активни клапани жизнеспособни клетки, заобиколени от извънклетъчната матрица. Въпреки това, механичните свойства на тъканите на тези клапани не са достатъчни за имплантирането им.

Необходимото ниво на пролиферация и регенерация на тъканта на създадения вентил не може да бъде постигнато само чрез комбиниране на клетките и матрицата. Експресирането на клетъчния ген и образуването на тъкани може да се регулира или стимулира чрез добавяне на растежни фактори, цитокини или хормони, митогенни фактори или адхезионни фактори в матрици и матрици. Разглежда се възможността за въвеждане на тези регулатори в биоматериалите на матрицата. По принцип съществува значителна липса на изследване на регулирането на процеса на образуване на тъканни клапи чрез биохимични стимули.

Неклетъчното свински хетероложен матрица Р белодробна bioprosthesis съдържа detsellyulyarizovannoy плат третира със специален патентован процедура AutoTissue GmbH, състояща се от лечение с антибиотици, натриев деоксихолат и алкохол Този метод приета от Международната организация по стандартизация, елиминира всички живи клетки и postkletochnye структура (фибробласти, ендотелни клетки, бактерии, вируси, гъбички, микоплазмени) запазва архитектура на извънклетъчната матрица, че намалява нивото на ДНК и РНК в тъканта на капка mA, което намалява до нула вероятността за предаване на свински ендогенен ретровирус (перверзник) лице. Матрицата Р bioprosthesis състои изключително от колаген и еластин със запазена структурна интеграция.

По време на експериментите на овце е регистриран минимум реакционната от околната тъкан в 11 месеца след имплантацията P Matrix bioprosthesis с добро представяне на оцеляването, което по-специално се проявява в лъскава вътрешната повърхност на ендокарда. Всъщност няма възпалителни реакции, удебеляване и скъсяване на клапните клапи. Беше също така регистрирано ниско ниво на калций в тъканта на матрикс Р биопротезата, разликата е статистически значима в сравнение с третирания глутаралдехид.

Matrix P изкуствени сърдечни клапи са адаптирани към условията на индивидуалните предпочитания на пациента в продължение на няколко месеца след имплантирането. В проучването в края на референтния период разкрива интактен извънклетъчната матрица и канал ендотел. Ксенографти Matrix R имплантира в стъпка Рос извършва в 50 пациенти с вродени дефекти в периода от 2002 до 2004 г., показа отлична производителност и по-ниски наклони transvalvular налягане в сравнение с криоконеервирани и detsellyulyarizovannymi алографт SynerGraftMT и без рамки bioprostheses лекувани с глутаралдехид. Матрицата Р изкуствени сърдечни клапи за смяна на белодробната артерия вентил по време на възстановяване на дясната камера изходния тракт в хирургията на вродени и придобити дефекти и белодробната протезата клапан в процедурата по Ross, е наличен в четири размера (вътрешен диаметър): Детската (15-17 мм ) деца (18-21 мм), междинно съединение (22-24 мм) и възрастни (25-28 mm).

Напредъкът в развитието на клапаните, на базата на тъканното инженерство, ще зависи от успеха на биологията на вентила клетка (включително въпроси на генната експресия и регулиране), изследването на ембриогенен и възраст на клапаните (включително ангиогенни и неврогенни фактори), точно познаване на биомеханиката на всеки клапан, да идентифицират подходящи за уреждане на клетки разработване на оптимални матрици. За по-нататъшно развитие на по-напреднали клапани тъкан, пълно разбиране на връзката между механични и структурни характеристики на природния клапан и стимули (биологични или механични), за да пресъздаде тези характеристики ин витро.

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