Kunstige hjerteventiler

Moderne, der er tilgængelig til klinisk brug, biologiske kunstige hjerteventiler, med undtagelse af pulmonal autograft, er ikke-levedygtige strukturer, der mangler potentialet for vækst og vævsreparation. Dette pålægger betydelige begrænsninger for deres anvendelse, især hos børn i korrigering af valvulær patologi. Vævsteknik er blevet dannet i løbet af de sidste 15 år. Formålet med denne videnskabelige retning er skabelsen i kunstige forhold af sådanne strukturer som kunstige hjerteventiler med en trombo-resistent overflade og levedygtigt interstitium.

[1], [2],

Hvordan udvikles kunstige hjerteventiler?

Videnskabelige begrebet vævsopbygning er baseret på idéen om bundfældning og dyrkning af levende celler (fibroblaster, stamceller, etc.) I en syntetisk eller naturlig absorberbart skelet (matrix), som repræsenterer en tredimensional ventilkonstruktion, samt anvendelse af signaler, som regulerer ekspressionen af gener, organisering og produktivitet transplanteret celler i dannelsesperioden af den ekstracellulære matrix.

Sådanne kunstige hjerteventiler er integreret med patientens væv til den endelige restaurering og yderligere vedligeholdelse af dets struktur og funktion. Således ved første matrix som følge af drift (fibroblaster og myofibroblaster al.), En ny ramme kollagenoelastinovy eller, mere præcist, ekstracellulære matrix. Som følge heraf de optimale kunstige hjerteklapper ved vævsmanipulering teknik skal af anatomiske struktur og deres funktion tættere til det native og har biomekaniske tilpasningsevne, evnen til at reparere og vækst.

Vævsteknik udvikler kunstige hjerteventiler ved hjælp af forskellige kilder til cellehøst. Således kan xenogene eller allogene celler anvendes, selvom de førstnævnte er forbundet med risikoen for zoonotisk transport til mennesker. For at reducere antigenicitet og forhindre reaktioner af afvisning af organismen er mulig ved genetisk modifikation af allogene celler. Vævsteknik kræver en pålidelig kilde til celleproduktion. Denne kilde er autogene celler, der tages direkte fra patienten og giver ikke immunrespons under reimplantation. Effektive kunstige hjerteventiler fremstilles på basis af autologe celler afledt fra blodkar (arterier og årer). For at opnå rene cellekulturer er der udviklet en fremgangsmåde baseret på anvendelsen af fluorescerende aktiveret celle sortering (FACS). En blandet cellepopulation afledt fra en blodkar er mærket med en acetyleret lipoproteinmarkør med lav densitet, som selektivt absorberes på overfladen af endotheliocytterne. Endothelocytter kan efterfølgende let adskilles fra hovedparten af celler afledt fra karrene, som vil blive repræsenteret af en blanding af glatte muskelceller, myofibroblaster og fibroblaster. En kilde til celler, det være sig en arterie eller en vene, vil påvirke egenskaberne af den endelige struktur. Således overgår kunstige hjerteventiler med en matrix, der er sået med venøse celler, hvad angår graden af kollagendannelse og mekanisk stabilitet, strukturer, der er sådd af arterielle celler. Valget af perifere vener synes at være en mere bekvem kilde til cellehøstning.

Myofibroblaster kan også tages fra carotidarterierne. På samme tid adskiller de celler, der er opnået fra karrene, sig væsentligt fra deres naturlige interstitiale celler. Autologe navlestrengsceller kan anvendes som en alternativ kilde til celler.

Kunstige hjerteventiler baseret på stamceller

Fremskridtet med vævsteknologi de seneste år er lettere ved stamcelleforskning. Anvendelsen af stamceller af rød knoglemarv har sine fordele. I særdeleshed tillader enkelheden af biomaterialeudtagning og in vitro dyrkning med efterfølgende differentiering i forskellige typer mesenchymale celler at undgå anvendelse af intakte kar. Stamceller er pluripotente kilder til cellekim, har unikke immunologiske egenskaber, der bidrager til deres stabilitet under allogene betingelser.

Humane knoglemarvstamceller opnås ved sternal punktering eller punktering af iliackampen. De isoleres fra 10-15 ml sternum aspirat, adskilles fra andre celler og dyrkes. Efter at have nået det ønskede celleantal (sædvanligvis inden 21-28 dage) producere deres såning (kolonisering) i matricen dyrkes i mediet i en statisk position (i 7 dage i en fugtig inkubator ved 37 ° C i nærvær af 5% CO2). Efterfølgende stimulering af cellevækst gennem kupturalnuyu miljø (biologisk stimuli) eller fysiologiske betingelser ved oprettelse af vævsvækst under dens deformation i isometrisk gengivelse apparat pulseret - bioreaktor (mekanisk stimuli). Fibroblaster er følsomme over for mekaniske stimuli, der fremmer deres vækst og funktionelle aktivitet. Pulserende strømning bevirker en forøgelse af både radiale og perifere deformationer, hvilket fører til orientering (forlængelse) af de befolket celler i retningen af virkningen af sådanne spændinger. Dette fører til gengæld til dannelsen af flappernes orienterede fiberstrukturer. En konstant strøm forårsager kun tangentielle belastninger på væggene. Den pulserende strøm har en gavnlig effekt på cellemorfologi, proliferation og sammensætningen af den ekstracellulære matrix. Naturen af næringsmediumets strømning, de fysisk-kemiske forhold (pH, pO2 og pCO2) i bioreaktoren påvirker også produktionen af kollagen betydeligt. Så laminar strømning, cykliske hvirvelstrømme øger produktionen af kollagen, hvilket fører til forbedrede mekaniske egenskaber.

En anden tilgang i voksende vævsstrukturer er at skabe embryonale tilstande i bioreaktoren i stedet for at modellere de fysiologiske forhold i den menneskelige krop. Dyrket stamcelle væv bioklapany har bevægelige flapper og plast operativt off ved højt tryk og flow, som overstiger det fysiologiske niveau. Histologiske og histokemiske undersøgelser af brochurerne af disse strukturer viste tilstedeværelsen hos dem om aktivt at gennemføre bionedbrydningsprocesser i matrixen og dens erstatning med levedygtigt væv. Stoflaminat typen anbragt på egenskaberne af ekstracellulære matrixproteiner, sådanne karakteristika af nativt væv ved nærvær af collagen type I og III og af glycosaminoglycaner. En typisk trelagsstruktur af ventilerne - ventrikulære, svampede og fibrøse lag - blev imidlertid ikke opnået. Opdaget i alle fragmenter havde ASMA-positive celler, der udtrykker vimentin, egenskaber svarende til karakteristikaene for myofibroblaster. Elektronmikroskopi af celleelementer har vist sig at være karakteristisk for levedygtige, aktive sekretoriske myofibroblasts (actin / filament myosin, garn collagen, elastin), og på tekstiloverfladen - endotelceller.

Kugler af I, III typer, ASMA og vimentin blev fundet på ventilerne. De mekaniske egenskaber af vævene og vævets oprindelige strukturer var sammenlignelige. Væv kunstige hjerte ventiler viste fremragende præstation i 20 uger og lignede naturlige anatomiske strukturer for deres mikrostruktur, biokemisk profil og dannelsen af en protein matrix.

Alle kunstige hjerteventiler, der blev opnået ved fremgangsmåden til vævsteknik, blev implanteret i dyrets lungeposition, da deres mekaniske egenskaber ikke svarer til belastningerne i aortepositionen. Vævsventilerne implanteret fra dyr er strukturelt ens i deres struktur til indfødte, hvilket indikerer deres videre udvikling og omlejring under in vivo betingelser. Hvorvidt processen med omlægning af væv og modning fortsætter under fysiologiske forhold, efter at kunstige hjerteventiler er implanteret, som observeret i dyreforsøg, vil yderligere undersøgelser vise.

Den ideelle kunstige hjerteklapper skal have en porøsitet på ikke mindre end 90%, fordi det er essentielt for cellevækst, levering af næringsstoffer og fjernelse af celle stofskifteprodukter, Ud over biokompatibilitet og bionedbrydelighed, bør kunstige hjerteklapper har kemisk gunstigt at pode celleoverfladen og i overensstemmelse mekanisk egenskaber af naturligt væv. Niveauet af bionedbrydning af matricen skal styres og proportional med niveauet for dannelsen af det nye væv for at sikre en mekanisk stabilitet i en vis tid.

I øjeblikket udvikles syntetiske og biologiske matricer. De mest almindelige biologiske materialer til dannelse af matricer er donoranatomiske strukturer, collagen og fibrin. Polymer kunstige hjerteventiler er designet til at bionedbryde efter implantation, så snart de implanterede celler begynder at producere og organisere deres eget ekstracellulære matrix netværk. Dannelsen af et nyt matrixvæv kan reguleres eller stimuleres af vækstfaktorer, cytokiner eller hormoner.

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

Donor kunstige hjerte ventiler

Donor kunstige hjerteklapper opnået fra mennesker eller dyr og blottet for cellulære antigener ved detsellyulyarizatsii at reducere deres immunogenicitet, kan anvendes som matricer. De konserverede proteiner fra den ekstracellulære matrix er grundlaget for den efterfølgende adhæsion af de celler, der er sådet. Der er følgende metoder til fjernelse af cellulære elementer (atsellyulyarizatsii): frysning, behandling trypsin / EDTA, detergent - natriumdodecylsulfat, natrium deoksikolatom, Triton X-100, MEGA 10, TnBR CHAPS, Tween 20, samt multi-trins enzymatisk behandlingsmetoder. Dette fjerner cellemembranerne, nukleinsyrer, lipider, cytoplasmatiske strukturer og opløselige matrixmolekyler med bevarelse af kollagen og elastin. Imidlertid er en ideel metode endnu ikke blevet fundet. Kun natriumdodecylsulfat (0,03-1%) eller natrium deoksikolat (0,5-2%) førte til fuldstændig fjernelse af celler efter 24 timers behandling.

Histologisk undersøgelse fjernbetjening detsellyulyarizovannyh bioklapanov (allograft og xenograft) i forsøgsdyr (hunde og svin) har vist, at der er en delvis indvækst og endotelialisering myofibroblaster modtager pr base, ingen tegn på forkalkning. Moderat udtalt inflammatorisk infiltration blev noteret. I kliniske forsøg med den decellulariserede SynerGraftTM-ventil udviklede den tidlige insufficiens imidlertid. Matrixen blev bestemt bioprotese udtrykt inflammatorisk reaktion, der oprindeligt var ikke-specifik og var ledsaget af lymfocytisk reaktion. Dysfunktion og degenerering af bioprostesen udviklet inden for et år. Cellekolonisering observeredes ikke i celler, men der blev påvist kalcifikation af ventiler og præimplantationscelleaffald.

Endotelceller udsåede acellulær matrix og dyrket i in vitro og in vivo-betingelser dannede et sammenhængende lag på overfladen af flapperne, og interstitielle celler inokuleret native struktur viste deres evne til differentiering. Men for at opnå den ønskede fysiologiske niveau af kolonisering i de matrixcellerne mislykkedes i dynamiske forhold bioreaktoren, og de implanterede kunstige hjerteklapper var ledsaget af hurtig nok (tre måneder) fortykkelse skyldes accelereret celleproliferation og ekstracellulær matrixdannelse. Således på dette trin at anvende donor acellulære matricer for deres kolonisering af celler har en række uløste problemer, herunder 8 immunologisk og infektiøs karakter af arbejde detsellyulyarizovannymi bioproteser fortsætter.

Det skal bemærkes, at kollagen også er et af de potentielle biologiske materialer til fremstilling af matricer, der er i stand til biologisk nedbrydning. Det kan bruges i form af skum, gel eller plader, svampe og som en præform på fiberbasis. Brugen af kollagen er dog forbundet med en række teknologiske vanskeligheder. Det er især vanskeligt at opnå fra patienten. På nuværende tidspunkt er de fleste kollagenmatriser derfor af animalsk oprindelse. Den forsinkede bionedbrydning af dyrekollagen kan bære en øget risiko for zoonotisk infektion, forårsager immunologiske og inflammatoriske reaktioner.

Fibrin er et andet biologisk materiale med kontrollerede karakteristika for bionedbrydning. Da fibringeler kan fremstilles fra patientens blod til den efterfølgende fremstilling af en autolog matrix, vil implantation af en sådan struktur ikke forårsage dens giftige nedbrydning og inflammatoriske respons. Imidlertid har fibrin sådanne ulemper som diffusion og udvaskning i miljøet og lave mekaniske egenskaber.

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

Kunstige hjerteventiler lavet af syntetiske materialer

Kunstige hjerteventiler er også lavet af syntetiske materialer. Adskillige forsøg på at fremstille ventiler matricer blev baseret på anvendelse af polyglactin, polyglycolsyre (PGA), polilakticheskoy syre (PLA), en copolymer af PGA og PLA (PLGA) og polyhydroxyalkanoater (PHA). Det højt porøse syntetiske materiale kan opnås fra vævede eller ikke-vævede fibre og ved anvendelse af saltudvaskningsteknologi. Lovende kompositmateriale (PGA / R4NV) til fremstilling af matricer afledt fra en ikke-vævede løkker polyglycolsyre (PGA), overtrukket med poly-4-hydroxybutyrat (R4NV). De fremstillede kunstige hjerteventiler fra dette materiale steriliseres med ethylenoxid. Imidlertid kræver den betydelige indledende stivhed og tykkelse af disse polymerers sløjfer, deres hurtige og ukontrollerede nedbrydning ledsaget af frigivelsen af sure cytotoksiske produkter yderligere forskning og søgen efter andre materialer.

Anvendelse autologe vævskulturplader myofibroblaster dyrket på en ramme til dannelse af en bærematrix ved at stimulere produktionen af disse celler gav prøver med aktive ventiler levedygtige celler omgivet af ekstracellulær matrix. Imidlertid er de mekaniske egenskaber af vævene i disse ventiler ikke tilstrækkelige til deres implantation.

Det nødvendige niveau for proliferation og regenerering af væv af den skabte ventil kan ikke opnås ved kun at kombinere cellerne og matrixen. Ekspression af cellegenet og vævdannelsen kan reguleres eller stimuleres ved tilsætning af vækstfaktorer, cytokiner eller hormoner, mitogene faktorer eller adhæsionsfaktorer i matricer og matricer. Muligheden for at indføre disse regulatorer i matrixens biomaterialer undersøges. Generelt er der en betydelig mangel på forskning på reguleringen af processen med vævsventildannelse ved biokemiske stimuli.

Acellulær porcin heterolog Matrix P pulmonal bioprotese omfatter detsellyulyarizovannoy stof behandlet med en særlig patenteret AutoTissue GmbH procedure med antibiotisk behandling, natriumdeoxycholat og alkohol Denne behandling metode, som International Organization for Standardization, eliminerer alle levende celler og postkletochnye struktur (fibroblaster, endotelceller, bakterier, vira, svampe, mycoplasma) bevarer arkitektur af den ekstracellulære matrix, det reducerer niveauet af DNA og RNA i vævet til minim mA, hvilket reducerer til nul sandsynligheden for overførsel af porcin endogene retrovirus (Perv) person. Matrix P bioprotese består udelukkende af kollagen og elastin med bevaret strukturel integration.

Ved forsøg på får blev registreret minimum reaktion fra det omgivende væv i 11 måneder efter implantationen P Matrix bioprotese med gode resultater i dens overlevelse, hvilket især manifesteret i dets blanke indre overflade af endokardiet. Faktisk var der ingen inflammatoriske reaktioner, fortykkelse og forkortelse af ventilflapper. Et lavt calciumniveau af Matrix P-bioprostesevævet blev også registreret, forskellen var statistisk signifikant sammenlignet med det behandlede glutaraldehyd.

Matrix P kunstige hjerteklapper er tilpasset den enkelte patients betingelser for et par måneder efter implantation. I undersøgelsen ved udgangen af referenceperioden afslørede en intakt ekstracellulær matrix og afløb endotel. Xenotransplantater Matrix R implanteret i trin Ross udført i 50 patienter med medfødte defekter i perioden fra 2002 til 2004 har vist overlegen ydelse og lavere transvalvular trykgradienter sammenlignet med kryokonserverede og detsellyulyarizovannymi allograft SynerGraftMT, og rammeløse bioproteser behandlet med glutaraldehyd. Matrix P Kunstige hjerteklapper til lungepulsåren ventil udskiftning under rekonstruktion af højre ventrikel udstrømning tarmkanalen i kirurgi af medfødte og erhvervede defekter og pulmonal valveprotese på Ross procedure, fås i fire størrelser (indre diameter): Infant (15-17 mm ) børn (18-21 mm), mellemprodukt (22-24 mm) og voksent (25-28 mm).

Fremskridt i udviklingen af ventilerne på grundlag af vævsopbygning afhænger succesen af ventilen cellebiologi (herunder genekspression spørgsmål og regulering), undersøgelse af embryogent og alder af ventilerne (herunder angiogene og neurogene faktorer), præcist kendskab biomekanik hver ventil, identificere passende for afregning celler udvikling af optimale matricer. For yderligere udvikling af mere avancerede vævsklapper, til en fuldstændig forståelse af forholdet mellem de mekaniske og strukturelle egenskaber af det native ventil og incitamenter (biologiske eller mekaniske) genskabe disse karakteristika in vitro.

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