Srdcové chlopne

Predtým sa predpokladalo, že všetky srdcové chlopne sú jednoduché štruktúry, ktorých príspevok k jednosmernému prietoku krvi spočíval v jednoduchom pasívnom pohybe v reakcii na aplikovaný tlakový gradient. Toto chápanie „pasívnych štruktúr“ viedlo k vývoju „pasívnych“ mechanických a biologických náhrad chlopní.

V súčasnosti je zrejmé, že srdcové chlopne majú zložitejšiu štruktúru a funkciu. Preto vytvorenie „aktívnej“ náhrady srdcovej chlopne predpokladá významnú podobnosť v štruktúre a funkcii s prirodzenou srdcovou chlopňou, čo je v budúcnosti vďaka rozvoju tkanivového inžinierstva celkom reálne.

Srdcové chlopne sa vyvíjajú z embryonálnych zárodkov mezenchymálneho tkaniva počas tvorby endokardu. Počas morfogenézy sa vytvára atrioventrikulárny kanál (trikuspidálna a mitrálna srdcová chlopňa) a ventrikulárny výtokový trakt (aortálna a pulmonálna srdcová chlopňa).

[ 1 ], [ 2 ], [ 3 ], [ 4 ], [ 5 ]

Ako sú usporiadané srdcové chlopne?

Štúdium prekrvenia chlopní inicioval N. Luschka (1852), ktorý do srdcových ciev injekčne zaviedol kontrastnú hmotu. Objavil početné krvné cievy v chlopniach atrioventrikulárnych a semilunárnych chlopní aorty a pľúcnej tepny. Zároveň množstvo príručiek o patologickej anatómii a histológii obsahovalo údaje o tom, že nezmenené ľudské srdcové chlopne neobsahujú krvné cievy a tie sa v chlopniach objavujú iba pri rôznych patologických procesoch - ateroskleróze a endokarditíde rôznych etiológií. Informácie o absencii krvných ciev boli založené najmä na histologických štúdiách. Predpokladalo sa, že pri absencii krvných ciev vo voľnej časti chlopní dochádza k ich výžive filtrovaním tekutiny z krvnej plazmy, ktorá chlopne obmýva. Zaznamenal sa preniknutie niekoľkých ciev spolu s vláknami priečne pruhovaného svalového tkaniva do báz chlopní a šľachových akordov.

Avšak pri injekčnom podaní rôznych farbív (atrament v želatíne, bizmut v želatíne, vodná suspenzia čierneho atramentu, roztoky karmínu alebo trypánovej modrej) do srdcových ciev sa zistilo, že cievy prenikajú do atrioventrikulárnych srdcových chlopní, aortálnych chlopní a pľúcnej tepny spolu s tkanivom srdcového svalu, tesne pred dosiahnutím voľného okraja chlopne.

V riedkom vláknitom spojivovom tkanive cípov atrioventrikulárnej chlopne sa našli jednotlivé hlavné cievy, ktoré anastomózovali s cievami v susedných oblastiach tkaniva priečne pruhovaného srdcového svalstva.

Najväčší počet krvných ciev sa nachádzal na báze a porovnateľne menší počet vo voľnej časti týchto chlopní.

Podľa K. I. Kulčitského a kol. (1990) sa v mitrálnej chlopni nachádza väčší priemer arteriálnych a venóznych ciev. Na báze cípov tejto chlopne sa nachádzajú prevažne hlavné cievy s úzkou sieťou kapilár, ktoré prenikajú do bazálnej časti cípu a zaberajú 10 % jeho plochy. V trikuspidálnej chlopni majú arteriálne cievy menší priemer ako v mitrálnej chlopni. V cípoch tejto chlopne sa nachádzajú prevažne rozptýlené cievy a pomerne široké slučky krvných kapilár. V mitrálnej chlopni je predný cíp intenzívnejšie zásobovaný krvou, v trikuspidálnej chlopni predný a zadný cíp, ktoré vykonávajú hlavnú uzatváraciu funkciu. Pomer priemerov arteriálnych a venóznych ciev v atrioventrikulárnych chlopniach srdca dospelých ľudí je 1:1,5. Kapilárne slučky sú polygonálne a sú umiestnené kolmo na základňu cípov chlopne. Cievy tvoria planárnu sieť umiestnenú pod endotelom na strane predsiene. Krvné cievy sa nachádzajú aj v šľachových tetivách, kde prenikajú z papilárnych svalov pravej a ľavej komory vo vzdialenosti až 30 % dĺžky šľachových tetiev. Početné krvné cievy tvoria oblúkovité slučky na báze šľachových tetiev. Srdcové chlopne aorty a pľúcneho kmeňa sa výrazne líšia od atrioventrikulárnych chlopní z hľadiska prekrvenia. Hlavné cievy s relatívne menším priemerom sa približujú k báze polmesiacových cípov aorty a chlopní pľúcneho kmeňa. Krátke vetvy týchto ciev končia kapilárnymi slučkami nepravidelného oválneho a polygonálneho tvaru. Nachádzajú sa prevažne v blízkosti bázy polmesiacových cípov. Žilové cievy na báze aortálnej a pľúcnej chlopne majú tiež menší priemer ako cievy na báze atrioventrikulárnych chlopní. Pomer priemerov arteriálnych a žilových ciev v aortálnej a pľúcnej chlopni srdca dospelých ľudí je 1:1,4. Z väčších ciev vychádzajú krátke bočné vetvy, ktoré končia slučkami kapilár nepravidelného oválneho a polygonálneho tvaru.

S vekom dochádza k zhrubnutiu vlákien spojivového tkaniva, kolagénových aj elastických, ako aj k poklesu množstva riedkeho vláknitého neformovaného spojivového tkaniva, vyvíja sa skleróza tkaniva chlopní atrioventrikulárnych chlopní a semilunárnych chlopní aortálnej a pľúcnej tepny. Dĺžka vlákien priečne pruhovaného srdcového svalstva v chlopniach sa znižuje, a preto sa znižuje ich množstvo a počet ciev prenikajúcich srdcovými chlopňami. V dôsledku týchto zmien srdcové chlopne strácajú svoje elastické a pružné vlastnosti, čo ovplyvňuje mechanizmus uzatvárania chlopne a hemodynamiku.

Srdcové chlopne majú siete lymfatických kapilár a malý počet lymfatických ciev vybavených chlopňami. Lymfatické kapiláry cípov majú charakteristický vzhľad: ich lúmen je veľmi nerovnomerný, tá istá kapilára má v rôznych oblastiach rôzny priemer. V miestach, kde sa spája niekoľko kapilár, sa tvoria rozšírenia - medzery rôznych tvarov. Slučky sietí sú často nepravidelné polygonálne, menej často oválne alebo okrúhle. Slučky lymfatických sietí často nie sú uzavreté a lymfatické kapiláry končia slepo. Slučky lymfatických kapilár sú orientované najčastejšie v smere od voľného okraja cípu k jeho základni. V niektorých prípadoch sa v cípoch atrioventrikulárnej chlopne našla dvojvrstvová sieť lymfatických kapilár.

Endokardiálne nervové plexy sa nachádzajú v rôznych vrstvách, najmä pod endotelom. Na voľnom okraji chlopňových cípov sú nervové vlákna umiestnené prevažne radiálne a spájajú sa s vláknami šľachových chord. Bližšie k spodnej časti cípov sa tvorí nervový plexus s veľkými okami, ktorý sa spája s plexusom nachádzajúcim sa okolo fibrotických prstencov. Na semilunárnych cípoch je endokardiálna nervová sieť redšia. V mieste úponu chlopní sa stáva hustejšou a viacvrstvovou.

Bunková štruktúra srdcových chlopní

Chlopňové intersticiálne bunky, zodpovedné za udržiavanie štruktúry chlopne, majú predĺžený tvar s početnými jemnými výbežkami, ktoré sa rozprestierajú po celej matrici chlopne. Existujú dve populácie chlopňových intersticiálnych buniek, ktoré sa líšia morfológiou a štruktúrou; jedna má kontraktilné vlastnosti a vyznačuje sa prítomnosťou kontraktilných fibríl, druhá má sekrečné vlastnosti a má dobre vyvinuté endoplazmatické retikulum a Golgiho aparát. Kontraktilná funkcia odoláva hemodynamickému tlaku a je ďalej podporovaná produkciou srdcových aj kostrových kontraktilných proteínov, medzi ktoré patria ťažké reťazce alfa- a beta-myozínu a rôzne izoformy troponínu. Kontrakcia cípu srdcovej chlopne bola preukázaná ako reakcia na množstvo vazoaktívnych látok, čo naznačuje koordinovaný biologický stimul pre úspešnú funkciu chlopne.

Intersticiálne bunky sú tiež základnými zložkami systému opravy štruktúr, ako sú srdcové chlopne. Neustály pohyb chlopňových chlopní a s tým spojená deformácia spojivového tkaniva spôsobuje poškodenie, na ktoré reagujú intersticiálne bunky chlopne, aby sa zachovala integrita chlopne. Proces opravy sa javí ako nevyhnutný pre normálnu funkciu chlopne a absencia týchto buniek v súčasných modeloch umelých chlopní je pravdepodobne faktorom prispievajúcim k štrukturálnemu poškodeniu bioprotéz.

Dôležitou oblasťou výskumu intersticiálnych buniek je štúdium interakcií medzi nimi a okolitou matricou sprostredkovaných molekulami fokálnej adhézie. Fokálne adhézie sú špecializované miesta interakcie medzi bunkami a matricou, ktoré spájajú bunkový cytoskelet s proteínmi matrice prostredníctvom integrínov. Pôsobia tiež ako miesta prenosu signálu, ktoré prenášajú mechanické informácie z extracelulárnej matrice, ktoré môžu vyvolať reakcie vrátane, ale nie výlučne, bunkovej adhézie, migrácie, rastu a diferenciácie. Pochopenie bunkovej biológie chlopňových intersticiálnych buniek je nevyhnutné pre objasnenie mechanizmov, ktorými tieto bunky interagujú navzájom a so svojím prostredím, aby sa táto funkcia dala zhrnúť do umelých chlopní.

V súvislosti s vývojom sľubného smeru tkanivového inžinierstva srdcových chlopní sa vykonávajú štúdie intersticiálnych buniek s použitím širokej škály techník. Prítomnosť bunkového cytoskeletu sa potvrdzuje farbením na vimentín, desmín, troponín, alfa-aktín a myozín hladkého svalstva, ťažké reťazce alfa- a beta-myozínu, ľahké reťazce-2 srdcového myozínu, alfa- a beta-tubulín. Kontraktilita buniek sa potvrdzuje pozitívnou odpoveďou na adrenalín, angiotenzín II, bradykinín, karbachol, chlorid draselný, endotel I. Bunkové vzťahy sa určujú interakciami funkčných medzier a overujú sa mikroinjekciami karboxyfluoresceínu. Matricová sekrécia sa stanovuje farbením na prolyl-4-hydroxylázu / kolagén typu II, fibronektín, chondroitínsulfát, laminín. Inervácia je stanovená blízkym umiestnením motorických nervových zakončení, čo sa odráža v aktivite neuropeptidu Y tyrozínhydroxylázy, acetylcholinesterázy, vazoaktívneho črevného polypeptidu, substancie P a peptidu súvisiaceho s génom papriky. Mitogénne faktory sa odhadujú pomocou rastového faktora odvodeného z krvných doštičiek, základného rastového faktora fibroblastov a serotonínu (5-HT). Študované intersticiálne bunkové fibroblasty sa vyznačujú neúplnou bazálnou membránou, dlhými, tenkými cytoplazmatickými výbežkami, úzkym spojením s matricou, dobre vyvinutým nerovnomerným endoplazmatickým retikulom a Golgiho aparátom, bohatstvom mikrofilamentov a tvorbou adhéznych väzieb.

Bunky endokardiálnych chlopní tvoria okolo každej srdcovej chlopne funkčný atrombogénny obal podobný cievnemu endotelu. Široko používaná metóda náhrady chlopne eliminuje ochrannú funkciu endokardu, čo môže viesť k ukladaniu krvných doštičiek a fibrínu na umelých chlopniach, vzniku bakteriálnej infekcie a kalcifikácii tkaniva. Ďalšou pravdepodobnou funkciou týchto buniek je regulácia podkladových intersticiálnych buniek chlopne podobná regulácii buniek hladkého svalstva endotelom. Medzi endotelom a susednými bunkami existujú komplexné interakcie, čiastočne sprostredkované rozpustnými faktormi vylučovanými endotelovými bunkami. Tieto bunky tvoria obrovský povrch pokrytý mikrovýčnelkami na luminálnej strane, čím zvyšujú expozíciu a možnú interakciu s metabolickými látkami v cirkulujúcej krvi.

Endotel často vykazuje morfologické a funkčné rozdiely spôsobené šmykovým napätím na stene cievy v dôsledku prietoku krvi, a to platí aj pre chlopňové endokardiálne bunky, ktoré majú buď predĺžený, alebo polygonálny tvar. Zmeny v bunkovej štruktúre sa môžu vyskytnúť v dôsledku pôsobenia lokálnej hemodynamiky na zložky bunkového cytoskeletu alebo sekundárnych účinkov spôsobených zmenami v podkladovej extracelulárnej matrici. Na ultraštrukturálnej úrovni majú chlopňové endokardiálne bunky medzibunkové spojenia, plazmatické vezikuly, drsné endoplazmatické retikulum a Golgiho aparát. Hoci produkujú von Willebrandov faktor in vivo aj in vitro, chýbajú im Weibel-Paladove telieska (špecifické granule obsahujúce von Willebrandov faktor), čo sú organely charakteristické pre cievny endotel. Chlopňové endokardiálne bunky sa vyznačujú silnými spojmi, interakciami funkčných medzier a prekrývajúcimi sa okrajovými záhybmi.

Endokardiálne bunky si zachovávajú svoju metabolickú aktivitu aj in vitro: produkujú von Willebrandov faktor, prostacyklín, syntázu oxidu dusnatého, vykazujú aktivitu angiotenzín konvertujúceho enzýmu a intenzívne vylučujú adhézne molekuly ICAM-1 a ELAM-1, ktoré sú dôležité pre väzbu mononukleárnych buniek počas vývoja imunitnej odpovede. Všetky tieto markery by sa mali zohľadniť pri pestovaní ideálnej bunkovej kultúry na vytvorenie umelej chlopne pomocou tkanivového inžinierstva, ale imunostimulačný potenciál samotných chlopňových endokardiálnych buniek môže obmedzovať ich použitie.

Extracelulárna matrica srdcových chlopní pozostáva z vláknitých kolagénových a elastínových makromolekúl, proteoglykánov a glykoproteínov. Kolagén tvorí 60 % suchej hmotnosti chlopne, elastín 10 % a proteoglykány 20 %. Kolagénová zložka zabezpečuje hlavnú mechanickú stabilitu chlopne a je reprezentovaná kolagénmi typu I (74 %), II (24 %) a V (2 %). Zväzky kolagénových vlákien sú obklopené elastínovým puzdrom, ktoré sprostredkováva interakcie medzi nimi. Glykozaminoglykánové bočné reťazce molekúl proteoglykánov majú tendenciu tvoriť gélovitú látku, v ktorej interagujú ďalšie molekuly matrice a vytvárajú trvalé väzby, a ukladajú sa ďalšie zložky. Glykozaminoglykány ľudských srdcových chlopní pozostávajú prevažne z kyseliny hyalurónovej, v menšej miere z dermatánsulfátu, chondroitín-4-sulfátu a chondroitín-6-sulfátu s minimálnym množstvom heparánsulfátu. Remodelácia a obnova tkaniva matrice sú regulované matrixovými metaloproteinázami (MMP) a ich tkanivovými inhibítormi (TI). Tieto molekuly sa tiež podieľajú na širšom spektre fyziologických a patologických procesov. Niektoré metaloproteinázy, vrátane intersticiálnych kolagenáz (MMP-1, MMP-13) a želatináz (MMP-2, MMP-9) a ich tkanivových inhibítorov (TI-1, TI-2, TI-3), sa nachádzajú vo všetkých srdcových chlopniach. Nadmerná produkcia metaloproteináz je charakteristická pre patologické stavy srdcovej chlopne.

[ 6 ], [ 7 ], [ 8 ], [ 9 ], [ 10 ], [ 11 ], [ 12 ], [ 13 ], [ 14 ], [ 15 ], [ 16 ]

Srdcové chlopne a ich morfologická štruktúra

Srdcové chlopne pozostávajú z troch morfologicky odlišných a funkčne významných vrstiev chlopňovej matrice: vláknitej, špongióznej a ventrikulárnej.

Vláknitá vrstva tvorí odolnú kostru pre chlopňový cíp, ktorá pozostáva z vrstiev kolagénových vlákien. Tieto vlákna sú usporiadané radiálne v záhyboch, aby umožnili arteriálnym chlopniam natiahnutie pri zatváraní. Vláknitá vrstva leží v blízkosti výstupného vonkajšieho povrchu týchto chlopní. Vláknitá vrstva atrioventrikulárnych chlopní slúži ako pokračovanie kolagénových zväzkov chordae tendineae. Nachádza sa medzi špongióznou (vstupnou) a ventrikulárnou (výstupnou) vrstvou.

Medzi fibróznou a ventrikulárnou vrstvou sa nachádza špongiózna vrstva (spongiosa). Špongiózna vrstva pozostáva zo slabo organizovaného spojivového tkaniva vo viskóznom médiu. Dominantnými zložkami matrice tejto vrstvy sú proteoglykány s náhodne orientovaným kolagénom a tenké vrstvy elastínu. Bočné reťazce molekúl proteoglykánov nesú silný negatívny náboj, čo ovplyvňuje ich vysokú schopnosť viazať vodu a tvoriť pórovitý matricový gél. Špongiózna vrstva matrice znižuje mechanické namáhanie v chlopniach srdcovej chlopne a udržiava ich flexibilitu.

Komorová vrstva je oveľa tenšia ako ostatné a je bohatá na elastické vlákna, ktoré umožňujú tkanivu odolávať neustálej deformácii. Elastín má špongióznu štruktúru, ktorá obklopuje a spája kolagénové vlákna a udržiava ich v neutrálnom zloženom stave. Vstupná vrstva chlopne (komorová - pre arteriálne chlopne a špongiózna - pre atrioventrikulárne) obsahuje viac elastínu ako výstupná, čo zabezpečuje zmäkčenie hydraulického šoku pri zatváraní cípov. Tento vzťah medzi kolagénom a elastínom umožňuje cípom natiahnuť sa až o 40 % bez stabilnej deformácie. Pri vystavení malému zaťaženiu sú kolagénové štruktúry tejto vrstvy orientované v smere zaťaženia a jej odolnosť voči ďalšiemu rastu zaťaženia sa zvyšuje.

Predstava srdcových chlopní ako jednoduchých endokardiálnych duplikátov je teda nielen zjednodušená, ale aj v podstate nesprávna. Srdcové chlopne sú zložité orgány, ktoré zahŕňajú vlákna priečne pruhovaného svalstva, krvné a lymfatické cievy a nervové elementy. Chlopne sú svojou štruktúrou aj funkciou neoddeliteľnou súčasťou všetkých srdcových štruktúr. Analýza normálnej funkcie chlopne musí brať do úvahy jej bunkovú organizáciu, ako aj interakciu buniek navzájom a s matricou. Poznatky získané z takýchto štúdií sú popredné v oblasti návrhu a vývoja chlopňových protéz s využitím tkanivového inžinierstva.