Umelé srdcové ventily

Moderné, k dispozícii na klinické použitie, biologické umelé srdcové chlopne s výnimkou pľúcneho autotransplantátu sú neživotaschopné štruktúry, ktoré nemajú potenciál na rast a opravu tkaniva. To spôsobuje významné obmedzenia ich použitia, najmä u detí, pri korekcii valvulárnej patológie. Tkanivové inžinierstvo sa vytvorilo za posledných 15 rokov. Účelom tohto vedeckého smeru je vytvorenie umelých podmienok takých štruktúr, ako sú umelé srdcové chlopne s trombo-rezistentným povrchom a životaschopným interstitiom.

[1], [2],

Ako sa vyvíjajú umelé srdcové chlopne?

Vedecké koncepcie tkanivového inžinierstva je založený na myšlienke usadzovaniu a pestovanie živých buniek (fibroblasty, kmeňové bunky, atď) vo syntetického alebo prírodného vstrebateľné kostry (matrice), ktoré predstavujú trojrozmerné štruktúry ventilu, rovnako ako využívanie signálov, ktoré regulujú expresiu génov, organizácie a produktivita transplantovaný buniek počas obdobia tvorby extracelulárnej matrice.

Takéto umelé srdcové chlopne sú integrované s tkanivom pacienta na konečné obnovenie a ďalšiu údržbu jeho štruktúry a funkcie. Tak na počiatočné matrike v dôsledku prevádzkových buniek (fibroblasty a myofibroblasty al.), Nový rám kollagenoelastinovy, alebo presnejšie, extracelulárnej matrix. Výsledkom je, že optimálna umelé srdcové chlopne podľa tkanivové inžinierstvo technika muštu anatomické štruktúry a ich funkcia je bližšie k natívny, a majú biomechanickú prispôsobivosť, schopnosť opraviť a rast.

Tkanivové inžinierstvo vyvíja umelé srdcové chlopne pomocou rôznych zdrojov zberu buniek. Takto sa môžu použiť xenogénne alebo alogénne bunky, hoci prvé sú spojené s rizikom prenosu zoonózy na človeka. Na zníženie antigenicity a prevenciu reakcií odmietnutia organizmu je možná genetická modifikácia alogénnych buniek. Tkanivové inžinierstvo vyžaduje spoľahlivý zdroj bunkovej produkcie. Tento zdroj je autogénne bunky odobrané priamo od pacienta a počas reimplantácie nedávajú imunitné odpovede. Účinné umelé srdcové chlopne sa vyrábajú na základe autológnych buniek odvodených z krvných ciev (tepny a žily). Na získanie čistých bunkových kultúr bola vyvinutá metóda založená na použití fluorescenčného aktivovaného triedenia buniek (FACS). Zmiešaná bunková populácia odvodená z krvnej cievy sa označuje acetylovým lipoproteínovým markerom s nízkou hustotou, ktorý sa selektívne absorbuje na povrchu endoteliocytov. Endoteliocyty sa môžu následne ľahko oddeliť od veľkého množstva buniek odvodených z ciev, čo bude predstavovať zmes buniek hladkého svalstva, myofibroblastov a fibroblastov. Zdroj buniek, či už je to artéria alebo žila, ovplyvní vlastnosti konečnej štruktúry. Takže umelé srdcové chlopne s matricou zasiatej žilovými bunkami, pokiaľ ide o stupeň tvorby kolagénu a mechanickú stabilitu, prevyšujú štruktúry zasiate arteriálnymi bunkami. Voľba periférnych žíl sa zdá byť vhodnejším zdrojom zberu buniek.

Myofibroblasty sa môžu tiež odobrať z krčných tepien. Súčasne sa bunky získané z ciev v podstate líšia od ich prirodzených intersticiálnych buniek. Autológne bunky z pupočníka môžu byť použité ako alternatívny zdroj buniek.

Umelé srdcové chlopne založené na kmeňových bunkách

Pokrok v oblasti tkanivového inžinierstva v posledných rokoch uľahčuje výskum kmeňových buniek. Používanie kmeňových buniek červenej kostnej drene má svoje výhody. Najmä jednoduchosť odberu biomateriálov a kultivácia in vitro s následnou diferenciáciou na rôzne typy mezenchymálnych buniek umožňuje zabrániť použitiu neporušených ciev. Kmeňové bunky sú pluripotentné zdroje bunkových zárodkov, majú jedinečné imunologické vlastnosti, ktoré prispievajú k ich stabilite v alogénnych podmienkach.

Humánne kmeňové bunky kostnej drene sú získané stenovou punkciou alebo punkciou iliakálneho hrebeňa. Izolujú sa z 10 až 15 ml aspirátu hrudnej kosti, oddelia sa od iných buniek a kultivujú sa. Po dosiahnutí požadovaného počtu buniek (v priebehu 21-28 dní) produkujú ich siatie (kolonizácie) v matrici sa kultivuje v médiu v tejto polohe (po dobu 7 dní vo zvlhčovanie inkubátora pri 37 ° C v prítomnosti 5% CO 2). Následne stimulácia rastu buniek prostredníctvom kupturalnuyu prostredia (biologický podnety) alebo fyziologických podmienok prostredníctvom vytvorenia rastu tkanív počas jeho deformácie v izometrickom prehrávacieho prístroja pulzný - bioreaktora (mechanické stimuly). Fibroblasty sú citlivé na mechanické podnety, ktoré podporujú ich rast a funkčnú aktivitu. Pulzujúci prietok spôsobuje zvýšenie radiálnych aj obvodových deformácií, čo vedie k orientácii (predĺženiu) obývaných buniek v smere pôsobenia takýchto napätí. To zase vedie k vytvoreniu orientovaných vláknitých štruktúr chlopní. Konštantný prietok spôsobuje na stenách len tangenciálne napätie. Pulzujúci tok má priaznivý účinok na morfológiu buniek, proliferáciu a zloženie extracelulárnej matrice. Povaha toku živného média, fyzikálno-chemické podmienky (pH, pO2 a pCO2) v bioreaktore tiež významne ovplyvňujú produkciu kolagénu. Takže laminárny tok, cyklické vírivé prúdy zvyšujú produkciu kolagénu, čo vedie k zlepšeným mechanickým vlastnostiam.

Ďalším prístupom v rastúcich tkanivových štruktúrach je vytvorenie embryonálnych podmienok v bioreaktore namiesto modelovania fyziologických podmienok ľudského tela. Pestuje kmeňových buniek tkaniva bioklapany mať pohyblivé klapky a plastové operatívno-off pri vysokom tlaku a prietoku, presahujúce fyziologickej úrovni. Histologické a histochemické štúdie letáky týchto štruktúr ukázala prítomnosť v nich aktívne bežiace procesy biodegradácie matrice a nahradiť ju životaschopnú tkanív. Tkanina typ laminátu usporiadané na vlastnostiach proteínov extracelulárnej matrix, také charakteristiky natívne tkaniva na prítomnosť kolagénu typu I a III, a glykozaminoglykánov. Avšak typická trojvrstvová štruktúra ventilov - ventrikulárne, hubovité a vláknité vrstvy - nebola získaná. Zistilo sa, že vo všetkých fragmentoch bunky exprimujúce vimentín majú ASMA pozitívne vlastnosti podobné charakteristikám myofibroblastov. Bolo zistené, že elektrónová mikroskopia bunkových elementov za charakteristické pre životaschopné, aktívnych sekrečných myofibroblastů (aktínu / myosin vlákna, kolagénových vlákien, elastín) a na povrchu tkaniny - endotelové bunky.

Na ventily boli nájdené obojky typu I, III, ASMA a vimentínu. Mechanické vlastnosti krídel tkaniva a natívnych štruktúr boli porovnateľné. Umelé srdcové chlopne s tkanivom vykazovali výbornú výkonnosť po dobu 20 týždňov a pripomínali prirodzené anatomické štruktúry pre ich mikroštruktúru, biochemický profil a tvorbu proteínovej matrice.

Všetky umelé srdcové chlopne, získané metódou tkanivového inžinierstva, boli do zvieraťa implantované do pľúcnej polohy, pretože ich mechanické charakteristiky nezodpovedajú záťaži v aortálnej polohe. Tkanivové ventily implantované zo zvierat sú štrukturálne podobné svojim štruktúram ako natívne, čo naznačuje ich ďalší vývoj a preskupenie v podmienkach in vivo. Či proces reštrukturalizácie a dozrievania tkaniva bude pokračovať vo fyziologických podmienkach po implantácii umelých srdcových chlopní, ako to bolo zistené pri pokusoch na zvieratách, ukážeme ďalšie štúdie.

Ideálne umelé srdcové chlopne by mali mať pórovitosť nie menej ako 90%, pretože je veľmi dôležité pre rast buniek, dodávanie živín a odstránenie produktov bunkového metabolizmu, okrem biokompatibility a biologickej rozložiteľnosti, umelé srdcové chlopne by mal mať chemicky priaznivý k naočkovanie povrchu buniek a zodpovedajú mechanicky vlastnosti prirodzeného tkaniva. Úroveň biodegradácie matrice musí byť riadený a úmerné úrovni tvorbe nového tkaniva, aby bola zaručená mechanickej stability po určitú dobu.

V súčasnosti sa vyvíjajú syntetické a biologické matrice. Najbežnejšími biologickými materiálmi na vytváranie matríc sú darcovské anatomické štruktúry, kolagén a fibrín. Polymérové umelé srdcové chlopne sú navrhnuté na biodegradáciu po implantácii hneď, ako implantované bunky začnú produkovať a organizovať vlastnú sieť extracelulárnej matrice. Tvorba nového matricového tkaniva môže byť regulovaná alebo stimulovaná rastovými faktormi, cytokínmi alebo hormónmi.

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

Darcovské umelé srdcové chlopne

Darcovské umelé srdcové chlopne, získané z ľudí alebo zvierat a bez bunkových antigénov detsellyulyarizatsii pre zníženie ich imunogenicity, môžu byť použité ako matrice. Zostávajúce proteíny extracelulárnej matrix sú základom pre následné adhéziu buniek zasiatych. Existujú nasledujúce metódy pre odstránenie bunkovej elementy (atsellyulyarizatsii): zmrazenie, liečba trypsín / EDTA, detergent - dodecylsulfát sodný, deoksikolatom sodný, Triton X-100, MEGA 10, TnBR CHAPS, Tween 20, ako aj viackrokové metódy enzymatické ošetrenie. Toto odstráni bunkové membrány, nukleovej kyseliny, lipidy, cytoplazmatickej štruktúry a rozpustné molekuly matrice so zachovaním kolagénu a elastínu. Avšak, ideálna metóda zatiaľ nebola nájdená. Iba dodecylsulfát sodný (0,03 až 1%) alebo deoksikolat sodný (0,5-2%), viedla k úplnému odstráneniu buniek po ošetrení 24 hodín.

Histologické vyšetrenie diaľkové detsellyulyarizovannyh bioklapanov (štepu a xenografe) u pokusných zvierat (psov a ošípaných), ukázali, že dochádza k čiastočnému vrastaniu a endotelizace myofibroblastů príjemcu na základni, žiadne známky kalcifikácie. Zaznamenala sa stredne výrazná zápalová infiltrácia. Avšak v klinických štúdiách odvzdušneného ventilu SynerGraftTM sa vyvinula včasná nedostatočnosť. V matrici bioprotézy bola stanovená výrazná zápalová reakcia, ktorá bola najprv nešpecifická a bola sprevádzaná lymfocytárnou reakciou. Dysfunkcia a degenerácia bioprotézy sa vyvinula do jedného roka. Bunková kolonizácia sa nepozorovala v bunkách, avšak bola zistená kalcifikácia ventilov a predimplantačné bunkové úlomky.

Endoteliálne bunky nasadený acelulárna matrice a kultivované v in vitro a in vivo podmienky vytvorené koherentné vrstvu na povrchu klapiek v a intersticiálnych buniek naočkovaných natívne štruktúra ukázala ich schopnosť diferenciácie. Avšak, pre dosiahnutie požadovaného fyziologického úroveň kolonizácie v matrici bunky zlyhali v dynamických podmienkach bioreaktora, a implantované umelé srdcové chlopne boli sprevádzané dostatočne rýchlo (tri mesiace) zosilnenie v dôsledku zrýchleného proliferácie buniek a tvorby extracelulárnej matrix. Tak, v tejto fáze je použitie darcu acelulárna matrice pre ich kolonizáciu bunkami má rad nevyriešených problémov, vrátane 8 imunologické a infekčné povahy práce detsellyulyarizovannymi bioprotézy pokračuje.

Treba poznamenať, že kolagén je tiež jedným z potenciálnych biologických materiálov na výrobu matríc schopných biodegradácie. Môže sa použiť vo forme peny, gélu alebo dosiek, hubiek a ako predlisok na báze vlákien. Použitie kolagénu je však spojené s množstvom technologických ťažkostí. Obzvlášť je ťažké získať od pacienta. Preto je v súčasnosti väčšina kolagénových matríc živočíšneho pôvodu. Oneskorená biodegradácia živočíšneho kolagénu môže mať zvýšené riziko zoonotickej infekcie, spôsobiť imunologické a zápalové reakcie.

Fibrín je ďalší biologický materiál s kontrolovanými charakteristikami biodegradácie. Pretože fibrínové gély môžu byť vyrobené z pacientovej krvi na následnú výrobu autológnej matrice, implantácia takejto štruktúry nespôsobí jej toxickú degradáciu a zápalovú reakciu. Avšak fibrín má také nevýhody ako je difúzia a vylúhovanie do prostredia a nízke mechanické charakteristiky.

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

Umelé srdcové ventily zo syntetických materiálov

Umelé srdcové ventily sú tiež vyrobené zo syntetických materiálov. Niekoľko pokusov o výrobu ventilov matríc boli založené na použití polyglaktín, polyglykolovej kyselina (PGA), polilakticheskoy kyselina (PLA), kopolymér PGA a PLA (PLGA) a polyhydroxyalkanoátů (PHA). Vysoko porézny syntetický materiál môže byť získaný z tkaných alebo netkaných vlákien a pomocou technológie vylúhovania soľou. Sľubné kompozitného materiálu (PGA / R4NV) pre výrobu matríc odvodených z netkaných slučiek polyglaktín (PGA), potiahnuté poly-4-hydroxybutyrátu (R4NV). Vyrobené umelé srdcové chlopne z tohto materiálu sa sterilizujú etylénoxidom. Avšak, významná počiatočné tuhosť a hrúbka slučiek týchto polymérov, ich rýchla a nekontrolovaná degradácia je sprevádzané uvoľnením cytotoxických produktov kyslé, vyžadujú ďalšie skúmanie a hľadanie iných materiálov.

Ktoré sú použité autológne tkanivové kultivačné doštičky myofibroblasty kultivovaných na ráme pre vytvorenie nosnej matrice tým, že stimuluje produkciu týchto buniek sa získa vzorkami s aktívnymi ventilmi živých buniek obklopených extracelulárnej matrix. Mechanické vlastnosti tkanív týchto ventilov však nie sú dostatočné na ich implantáciu.

Potrebná úroveň proliferácie a regenerácie tkaniva vytvoreného ventilu nemožno dosiahnuť len kombináciou buniek a matrice. Expresia bunkového génu a tvorby tkaniva môže byť regulovaná alebo stimulovaná pridaním rastových faktorov, cytokínov alebo hormónov, mitogénnych faktorov alebo adhéznych faktorov v matriciach a matriciach. Predpokladá sa možnosť zavedenia týchto regulátorov do biomateriálov matrice. Vo všeobecnosti existuje významný nedostatok výskumu regulácie procesu tvorby tkanivovej chlopne biochemickými stimulmi.

Acelulárna prasacej heterológnej matice P pľúcna bioprotéza obsahuje detsellyulyarizovannoy tkaniny upravený špeciálnou patentovanou AutoTissue GmbH postup pozostávajúci z antibiotickej liečby, deoxycholát sodný a alkohol Táto metóda spracovania prijatej Medzinárodná organizácia pre normalizáciu, eliminuje všetky živé bunky a štruktúru postkletochnye (fibroblasty, endoteliálne bunky, baktérie, vírusy, huby, mykoplazmy) zachováva architektúra extracelulárnej matrix, znižuje hladinu DNA a RNA v tkanive na miním mA, čo znižuje na nulu pravdepodobnosť prenosu prasačieho endogénneho retrovírusu (Perv) osoby. Matrix P bioprotéza sa skladá výlučne z kolagénu a elastínu so zachovanou štrukturálnej integrácie.

V priebehu pokusov na ovce bola zapísaná minimálna reakcia od okolitého tkaniva za 11 mesiacov po implantácii P Matrix bioprotéza s dobrým výkonom jeho prežitie, ktorý, najmä prejavuje v jeho lesklý vnútorný povrch endokardu. V skutočnosti sa nevyskytli žiadne zápalové reakcie, zahustenie a skrátenie ventilových chlopní. Bola tiež zaznamenaná nízka hladina vápnika tkaniva bioprotekcie Matrix P, tento rozdiel bol štatisticky významný v porovnaní s ošetreným glutaraldehydom.

Matrix P umelé srdcové chlopne sú prispôsobené podmienkam každého jednotlivého pacienta na niekoľko mesiacov po implantácii. V štúdii na konci sledovaného obdobia odhalila intaktné extracelulárnej matrice a vypúšťací endothelium. Xenografe Matrix R implantované v kroku Ross vykonanej u 50 pacientov s vrodenými vadami v období od roku 2002 do roku 2004 sa ukázalo, vyšší výkon a nižšiu transvalvular tlakové gradienty v porovnaní s Kryokonzervované a detsellyulyarizovannymi aloštěpu SynerGraftMT a bezrámových bioprotéz liečených glutaraldehydom. Matica P umelé srdcové chlopne na výmenu pľúcnej tepny ventilu počas rekonštrukcie pravej komory výtokové v chirurgii vrodených i získaných vád a pľúcnej protéza ventil na riadenie Ross, je k dispozícii v štyroch veľkostiach (vnútorný priemer): Detské (15-17 mm ) deti (18-21 mm), stredná (22 - 24 mm) a dospelých (25 až 28 mm).

Pokrok vo vývoji ventilov na základe tkanivového inžinierstva bude závisieť od úspechu ventile bunkovej biológie (vrátane problematiky génovej expresie a regulácie), na štúdium embryogenní a veku ventilov (vrátane angiogénnych a neurogénna faktorov), presné znalosti biomechaniky každý ventil, aké dostačujúce pre usadzovanie buniek vývoj optimálnych matríc. Pre ďalší vývoj pokročilejších tkanív ventily, úplné pochopenie vzťahu medzi mechanických a štrukturálnych vlastností natívneho ventilu a stimulov (biologické alebo mechanické), aby znovu tieto vlastnosti in vitro.

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