Kunstmatige hartkleppen

Modern, beschikbaar voor klinisch gebruik, biologische kunstmatige hartkleppen, met uitzondering van pulmonale autograft, zijn niet-levensvatbare structuren die de mogelijkheid tot groei en weefselherstel missen. Dit legt aanzienlijke beperkingen op aan het gebruik ervan, vooral bij kinderen bij de correctie van valvulaire pathologie. Weefseltechnologie is de afgelopen 15 jaar gevormd. Het doel van deze wetenschappelijke richting is de creatie in kunstmatige omstandigheden van structuren zoals kunstmatige hartkleppen met een trombo-bestendig oppervlak en levensvatbaar interstitium.

[1], [2],

Hoe zijn kunstmatige hartkleppen ontwikkeld?

Wetenschappelijke concept van tissue engineering is gebaseerd op het idee van afwikkeling en kweek van levende cellen (fibroblasten, stamcellen, etc.) in een synthetische of natuurlijke absorbeerbare skelet (matrix) die een driedimensionale klepconstructie, alsmede het gebruik van signalen die de expressie van genen, organisatie en productiviteit getransplanteerd reguleren cellen tijdens de periode van vorming van de extracellulaire matrix.

Dergelijke kunstmatige hartkleppen zijn geïntegreerd in het weefsel van de patiënt voor de uiteindelijke restauratie en verder onderhoud van de structuur en functie ervan. Tegelijkertijd wordt een nieuw collagenoelastinekader of, meer precies, een extracellulaire matrix gevormd op de initiële matrix als een resultaat van het functioneren van cellen (fibroblasten, myofibroblasten, etc.). Dientengevolge moeten optimale kunstmatige hartkleppen gecreëerd door de methode van weefselmanipulatie, door hun anatomische structuur en functie, de oorspronkelijke, en ook biomechanische aanpassingsvermogen, het vermogen om te herstellen en te groeien benaderen.

Tissue engineering ontwikkelt kunstmatige hartkleppen met behulp van verschillende bronnen van celoogst. Aldus kunnen xenogene of allogene cellen worden gebruikt, hoewel de eerste zijn geassocieerd met het risico van zoönotisch transport naar mensen. Om de antigeniciteit te verminderen en te voorkomen dat reacties van afstoting van het organisme mogelijk zijn door genetische modificatie van allogene cellen. Weefseltechnologie vereist een betrouwbare bron van celproductie. Deze bron bestaat uit autogene cellen die rechtstreeks van de patiënt worden genomen en geven geen immuunresponsen tijdens herimplantatie. Effectieve kunstmatige hartkleppen worden geproduceerd op basis van autologe cellen die zijn afgeleid van bloedvaten (slagaders en aders). Om zuivere celculturen te verkrijgen, is een methode ontwikkeld die gebaseerd is op het gebruik van fluorescent geactiveerde celsortering (FACS). Een gemengde celpopulatie afgeleid van een bloedvat wordt gemerkt met een geacetyleerde, lage dichtheid, lipoproteïnemerker die selectief wordt geabsorbeerd op het oppervlak van de endotheliocyten. Endotheliocyten kunnen vervolgens gemakkelijk worden gescheiden van de bulk van cellen die zijn afgeleid van de vaten, die zullen worden weergegeven door een mengsel van gladde spiercellen, myofibroblasten en fibroblasten. Een bron van cellen, of het nu een slagader of een ader is, zal de eigenschappen van de uiteindelijke structuur beïnvloeden. Dus, kunstmatige hartkleppen met een matrix gezaaid met veneuze cellen, in termen van de mate van collageenvorming en mechanische stabiliteit, overtreffen de structuren die worden gezaaid door slagaderlijke cellen. De keuze van perifere aderen lijkt een geschiktere bron van celoogst te zijn.

Myofibroblasten kunnen ook uit de halsslagaders worden genomen. Tegelijkertijd verschillen de cellen die uit de vaten worden verkregen wezenlijk van hun natuurlijke interstitiële cellen. Autologe navelstrengcellen kunnen worden gebruikt als een alternatieve bron van cellen.

Kunstmatige hartkleppen op basis van stamcellen

De voortgang van tissue engineering in de afgelopen jaren wordt vergemakkelijkt door stamcelonderzoek. Het gebruik van stamcellen van rood beenmerg heeft zijn voordelen. In het bijzonder maakt de eenvoud van bemonstering van biomateriaal en in vitro kweken met daaropvolgende differentiatie in verschillende soorten mesenchymcellen het mogelijk om het gebruik van intacte vaten te vermijden. Stamcellen zijn pluripotente bronnen van celbacteriën, hebben unieke immunologische kenmerken die bijdragen aan hun stabiliteit in allogene omstandigheden.

Menselijke beenmergstamcellen worden verkregen door sternale punctie of punctie van de iliacale top. Ze worden geïsoleerd uit 10-15 ml sternumaspiraat, gescheiden van andere cellen en gekweekt. Bij het bereiken van het gewenste aantal cellen (gewoonlijk binnen 21-28 dagen) produceren hun zaaien (kolonisatie) in de matrix wordt gekweekt in het medium in een statische positie (7 dagen in een bevochtigde incubator bij 37 ° C in aanwezigheid van 5% CO2). Vervolgens stimulering van celgroei tot kupturalnuyu omgeving (biologische stimuli) of fysiologische omstandigheden door het creëren van weefselgroei tijdens de vervorming isometrische weergave inrichting gepulseerd - bioreactor (mechanische stimuli). Fibroblasten zijn gevoelig voor mechanische stimuli die hun groei en functionele activiteit bevorderen. Pulserende stroming veroorzaakt een toename in zowel radiale als perifere vervormingen, hetgeen leidt tot oriëntatie (verlenging) van de bevolkte cellen in de richting van de werking van dergelijke spanningen. Dit leidt op zijn beurt tot de vorming van georiënteerde vezelstructuren van de flappen. Een constante stroom veroorzaakt alleen tangentiële spanningen op de wanden. De pulserende stroom heeft een gunstig effect op celmorfologie, proliferatie en de samenstelling van de extracellulaire matrix. De aard van de stroming van het voedingsmedium, de fysisch-chemische omstandigheden (pH, pO2 en pCO2) in de bioreactor beïnvloeden ook significant de productie van collageen. Dus, laminaire stroming, cyclische wervelstromen verhogen de productie van collageen, wat leidt tot verbeterde mechanische eigenschappen.

Een andere benadering bij het laten groeien van weefselstructuren is het creëren van embryonale omstandigheden in de bioreactor in plaats van het modelleren van de fysiologische omstandigheden van het menselijk lichaam. Gekweekt op basis van stamcellen, hebben weefsel-biokleppen beweegbare en plastic kleppen die functioneel goed gedrag vertonen wanneer ze worden blootgesteld aan hoge druk en een stroom die het fysiologische niveau overschrijdt. Histologische en histochemische studies van de folders van deze structuren toonden de aanwezigheid daarin van actief voortgaande biologische afbraakprocessen van de matrix en de vervanging ervan door levensvatbaar weefsel. Het weefsel is georganiseerd in een gelamineerd type met de kenmerken van extracellulaire matrixeiwitten, vergelijkbaar met de kenmerken van natuurlijk weefsel door de aanwezigheid van type I en III collageen en glycosaminoglycanen. Een typische drielaagse structuur van de kleppen - ventriculaire, sponsachtige en vezelige lagen - werd echter niet verkregen. Ontdekt in alle fragmenten hadden ASMA-positieve cellen die vimentine tot expressie brengen kenmerken die vergelijkbaar zijn met die van myofibroblasten. Elektronenmicroscopie van celelementen gevonden kenmerkend levensvatbare actieve secretorische myofibroblasten (actine / myosine filament, garen collageen, elastine) en het weefseloppervlak worden - endotheelcellen.

Halsbanden van I, III soorten, ASMA en vimentin werden gevonden op de kleppen. De mechanische eigenschappen van de vleugels van het weefsel en de oorspronkelijke structuren waren vergelijkbaar. Tissue kunstmatige hartkleppen vertoonden uitstekende prestaties gedurende 20 weken en leken op natuurlijke anatomische structuren voor hun microstructuur, biochemisch profiel en de vorming van een eiwitmatrix.

Alle kunstmatige hartkleppen, verkregen door de werkwijze van weefselmanipulatie, werden door het dier in de pulmonaire positie geïmplanteerd, omdat hun mechanische kenmerken niet overeenkomen met de belastingen in de aortapositie. De weefselkleppen geïmplanteerd uit dieren zijn structureel vergelijkbaar in hun structuur met natieve, hetgeen hun verdere ontwikkeling en herrangschikking onder in vivo omstandigheden aangeeft. Of het proces van weefselherstructurering en rijping zal doorgaan in fysiologische omstandigheden nadat kunstmatige hartkleppen zijn geïmplanteerd, zoals wordt waargenomen in dierproeven, zullen verdere studies aantonen.

Het ideale kunstmatige hartkleppen zou een porositeit van ten minste 90%, omdat het essentieel is voor celgroei, de levering van voedingsstoffen en het verwijderen van de celstofwisseling producten, naast de biologische verenigbaarheid en biologische afbreekbaarheid, dient kunstmatige hartkleppen chemisch gunstig te celoppervlak inoculeren en voldoen mechanisch eigenschappen van natuurlijk weefsel. Het niveau van biologische afbraak van de matrix moet worden gecontroleerd en evenredig zijn aan het niveau van vorming van het nieuwe weefsel om een garantie van mechanische stabiliteit gedurende een bepaalde tijd te garanderen.

Momenteel worden synthetische en biologische matrices ontwikkeld. De meest voorkomende biologische materialen voor het maken van matrices zijn donor-anatomische structuren, collageen en fibrine. Kunststof kunsthartkleppen van het polymeer zijn ontworpen om na implantatie biologisch af te breken zodra de geïmplanteerde cellen hun eigen extracellulaire matrixnetwerk beginnen te produceren en organiseren. De vorming van een nieuw matrixweefsel kan worden gereguleerd of gestimuleerd door groeifactoren, cytokinen of hormonen.

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

Donor kunstmatige hartkleppen

Donor kunstmatige hartkleppen verkregen van mensen of dieren en verstoken van cellulaire antigenen door detsellyulyarizatsii om hun immunogeniciteit te verminderen, kan worden gebruikt als matrices. De geconserveerde eiwitten van de extracellulaire matrix vormen de basis voor de daaropvolgende hechting van de cellen die worden gezaaid. Er zijn volgende werkwijzen voor het verwijderen van de cellulaire elementen (atsellyulyarizatsii): invriezen, behandeling trypsine / EDTA, detergent - natriumdodecylsulfaat, natrium deoksikolatom, Triton X-100, MEGA 10, TnBR CHAPS, Tween 20, evenals meerdere stappen enzymatische behandelmethoden. Dit verwijdert de celmembranen, nucleïnezuren, lipiden, cytoplasmatische structuren en oplosbare matrix moleculen met behoud van collageen en elastine. Er is echter nog geen ideale methode gevonden. Alleen natriumdodecylsulfaat (0,03-1%) of natrium deoksikolat (0,5-2%) leidde tot volledige verwijdering van de cellen na 24 uur behandeling.

Histologisch onderzoek op afstand detsellyulyarizovannyh bioklapanov (allotransplantaat en xenotransplantaat) bij proefdieren (honden en varkens) hebben aangetoond dat er een gedeeltelijke ingroei en endothelialisatie myofibroblasten ontvanger per base, geen tekenen van verkalking. Matig uitgesproken inflammatoire infiltratie werd opgemerkt. In klinische onderzoeken met de gedecellulariseerde SynerGraftTM-klep ontstond echter vroege insufficiëntie. In de matrix van de bioprothese werd een uitgesproken ontstekingsreactie bepaald die aanvankelijk niet-specifiek was en gepaard ging met een lymfocytische reactie. Dysfunctie en degeneratie van de bioprothese ontwikkelden zich binnen een jaar. Cel kolonisatie werd niet waargenomen in cellen, echter, verkalking van kleppen en preimplantatie celresten werden gedetecteerd.

Endotheelcellen gezaaid acellulaire matrix en gekweekt in in vitro en in vivo omstandigheden vormde een samenhangende laag op het oppervlak van de flappen, en interstitiële cellen geïnoculeerd natieve structuur toonden hun vermogen tot differentiatie. Echter, om de gewenste fysiologische niveau van kolonisatie in de matrix cellen niet in dynamische omstandigheden van de bioreactor te bereiken, en de geïmplanteerde kunstmatige hartkleppen waren door snel genoeg (drie maanden) verdikking als gevolg van versnelde proliferatie en extracellulaire matrix vormen. Dus, in dit stadium van het gebruik van donor acellulaire matrices voor hun kolonisatie door cellen heeft een aantal onopgeloste problemen, waaronder 8 immunologische en besmettelijke aard van het werk detsellyulyarizovannymi bioprotheses blijft.

Opgemerkt moet worden dat collageen ook een van de potentiële biologische materialen is voor de vervaardiging van matrices die in staat zijn tot biologische afbraak. Het kan worden gebruikt in de vorm van schuim, gel of platen, sponzen en als een voorvorm op basis van vezels. Het gebruik van collageen is echter geassocieerd met een aantal technologische problemen. In het bijzonder is het moeilijk om van de patiënt te verkrijgen. Daarom zijn op dit moment de meeste collageenmatrices van dierlijke oorsprong. De vertraagde biologische afbraak van dierlijk collageen kan een verhoogd risico op zoönotische infectie met zich meebrengen, en immunologische en ontstekingsreacties veroorzaken.

Fibrine is een ander biologisch materiaal met gecontroleerde kenmerken van biologische afbraak. Omdat fibrinegelen kunnen worden gemaakt uit het bloed van de patiënt voor de daaropvolgende vervaardiging van een autologe matrix, zal implantatie van een dergelijke structuur niet de toxische afbraak en ontstekingsreactie veroorzaken. Fibrine heeft echter dergelijke nadelen als diffusie en uitspoeling in de omgeving en lage mechanische eigenschappen.

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

Kunstmatige hartkleppen gemaakt van synthetische materialen

Kunstmatige hartkleppen zijn ook gemaakt van synthetische materialen. Verschillende pogingen kleppen matrices te vervaardigen waren gebaseerd op het gebruik van polyglactine, polyglycolzuur (PGA), polilakticheskoy acid (PLA), een copolymeer van PGA en PLA (PLGA) en polyhydroxyalkanoaten (PHA). Het zeer poreuze synthetische materiaal kan worden verkregen uit geweven of niet-geweven vezels en met behulp van zoutuitloogtechnologie. Veelbelovende composietmateriaal (PGA / R4NV) voor de vervaardiging van matrijzen afgeleid van een niet-geweven lussen polyglycolzuur (PGA), bekleed met poly-4-hydroxybutyraat (R4NV). De vervaardigde kunstmatige hartkleppen van dit materiaal zijn gesteriliseerd met ethyleenoxide. Een aanzienlijk initiële stijfheid en dikte van de lussen van deze polymeren, hun snelle en ongecontroleerde afbraak gepaard gaat met de afgifte van cytotoxische produkten van zure, vereisen verder onderzoek en onderzoek naar andere materialen.

Het gebruik van weefselkweekplaten van autologe myofibroblasten gekweekt op een raamwerk om dragermatrices te vormen door de productie van deze cellen te stimuleren, maakte de productie mogelijk van klepmonsters met actieve levensvatbare cellen omgeven door een extracellulaire matrix. De mechanische eigenschappen van de weefsels van deze kleppen zijn echter niet voldoende voor hun implantatie.

Het noodzakelijke niveau van proliferatie en regeneratie van het weefsel van de gecreëerde klep kan niet worden bereikt door alleen de cellen en de matrix te combineren. Expressie van het celgen en de weefselvorming kan worden gereguleerd of gestimuleerd door de toevoeging van groeifactoren, cytokinen of hormonen, mitogene factoren of adhesiefactoren in matrices en matrices. De mogelijkheid om deze regulatoren in de biomaterialen van de matrix te introduceren, wordt bestudeerd. Over het algemeen is er een aanzienlijk gebrek aan onderzoek naar de regulatie van het proces van weefselklepvorming door biochemische stimuli.

Acellulaire varkens heterologe Matrix P pulmonaire bioprosthesis omvat detsellyulyarizovannoy weefsel behandeld met een speciale gepatenteerde AutoTissue GmbH procedure bestaande uit antibiotica, natriumdeoxycholaat en alcohol Deze verwerkingsmethode door de Internationale Organisatie aangenomen for Standardization, elimineert alle levende cellen en postkletochnye structuur (fibroblasten, endotheelcellen, bacteriën, virussen, schimmels, mycoplasma) behoudt architectuur van de extracellulaire matrix, is het niveau van DNA en RNA vermindert in het weefsel mINIM mA, die vermindert de kans op overdracht van varkens endogeen retrovirus (PERV) personen nul. Matrix P bioprosthesis uitsluitend bestaat uit collageen en elastine met geconserveerde structurele integratie.

Bij experimenten bij schapen werd geregistreerd minimale reactietijd van het omringende weefsel in 11 maanden na de implantatie P Matrix bioprosthesis met goede prestaties van de overleving, die vooral tot uiting in het glimmende binnenoppervlak van het endocardium. In feite waren er geen ontstekingsreacties, verdikking en verkorting van klepflappen. Een laag calciumniveau van het Matrix P bioprotheseweefsel werd ook geregistreerd, het verschil was statistisch significant in vergelijking met het behandelde glutaaraldehyde.

Matrix P kunstmatige hartkleppen worden aangepast aan de eisen van de individuele patiënt voor een paar maanden na de implantatie. In de studie aan het einde van de referentieperiode bleek een intacte extracellulaire matrix en afvoer endotheel. Xenotransplantaten Matrix R geïmplanteerd in stap Ross uitgevoerd in 50 patiënten met congenitale defecten in de periode 2002-2004, blijkt superieure prestaties en lagere transvalvular drukgradiënten opzichte van gecryopreserveerde en detsellyulyarizovannymi allograft SynerGraftMT en frameless bioprotheses behandeld met glutaaraldehyde. Matrix P kunstmatige hartkleppen de longslagader klepvervanging tijdens reconstructie van rechter ventrikel uitstroombaan in chirurgie van aangeboren en verworven gebreken en de pulmonaire klepprothese in de Ross procedure is in vier maten (binnendiameter): Infant (15-17 mm ) kinderen (18-21 mm), tussenproduct (22-24 mm) en volwassen (25-28 mm).

De vooruitgang in de ontwikkeling van de kleppen op basis van tissue engineering zal afhangen van het succes van de klep celbiologie (met inbegrip van genexpressie kwesties en regelgeving), de studie van de embryogene en de leeftijd van de kleppen (met inbegrip van angiogene en neurogene factoren), precieze kennis van de biomechanica van elke klep, te identificeren voldoende voor de afwikkeling van cellen ontwikkeling van optimale matrices. Voor verdere ontwikkeling van meer geavanceerde weefselkleppen, een volledig begrip van de relatie tussen de mechanische en structurele eigenschappen van de natuurlijke klep en stimulansen (biologische of mechanische) om deze eigenschappen in vitro opnieuw.

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