Sztuczne zastawki serca

Nowoczesne, dostępne do użytku klinicznego, sztuczne sztuczne zastawki serca, z wyjątkiem autoprzeszczepu płucnego, są nieżywotnymi strukturami, które nie mają potencjału do wzrostu i naprawy tkanek. Nakłada to znaczne ograniczenia na ich stosowanie, zwłaszcza u dzieci w korekcji patologii zastawek. Inżynieria tkankowa powstała w ciągu ostatnich 15 lat. Celem tego kierunku nauki jest stworzenie w sztucznych warunkach takich struktur, jak sztuczne zastawki serca z powierzchnią odporną na zakrzepicę i żywą tkanką śródmiąższową.

[1], [2],

Jak powstają sztuczne zastawki serca?

Pojęcie naukowe inżynierii tkankowej jest oparty na idei sedymentacji i hodowli żyjących komórek (fibroblasty, komórki macierzyste, itd) w syntetycznym lub naturalnym wchłanialnego kostnego (matrycy) i stanowi trójwymiarową strukturę zaworu, jak również wykorzystanie sygnałów, które regulują ekspresję genów, organizacji i wydajności przeszczepionego komórki podczas okresu tworzenia się macierzy pozakomórkowej.

Takie sztuczne zastawki serca są zintegrowane z tkankami pacjenta w celu ostatecznego uzupełnienia i dalszej konserwacji jego struktury i funkcji. Zatem na wstępnym matrycy, w wyniku działania na komórki (fibroblasty i miofibroblasty in.), Nowa ramka kollagenoelastinovy lub, bardziej precyzyjnie, macierzy zewnątrzkomórkowej. W rezultacie, optymalne sztuczne zastawki serca stworzone metodą inżynierii tkankowej powinny, ze względu na ich budowę anatomiczną i funkcję, zbliżyć się do natywnej, a także posiadać zdolność adaptacji biomechanicznej, zdolność do naprawy i wzrostu.

Inżynieria tkankowa rozwija sztuczne zastawki serca przy użyciu różnych źródeł zbioru komórek. Zatem można stosować ksenogeniczne lub allogeniczne komórki, chociaż te pierwsze wiążą się z ryzykiem przenoszenia zoonotycznego na ludzi. Zmniejszenie antygenowości i zapobieganie reakcjom odrzucania organizmu jest możliwe dzięki modyfikacji genetycznej komórek alogenicznych. Inżynieria tkankowa wymaga niezawodnego źródła produkcji ogniw. To źródło stanowi autogeniczne komórki pobrane bezpośrednio od pacjenta i nie dają odpowiedzi immunologicznej podczas reimplantacji. Skuteczne sztuczne zastawki serca są wytwarzane na podstawie autologicznych komórek pochodzących z naczyń krwionośnych (tętnic i żył). Aby uzyskać czyste hodowle komórkowe, opracowano metodę opartą na wykorzystaniu sortowania aktywowanych fluorescencyjnie komórek (FACS). Mieszana populacja komórkowa pochodząca z naczynia krwionośnego jest znakowana acetylowanym markerem lipoproteinowym o małej gęstości, który jest selektywnie absorbowany na powierzchni śródbłonka. Endotheliocyty można następnie łatwo oddzielić od większości komórek pochodzących z naczyń, które będą reprezentowane przez mieszaninę komórek mięśni gładkich, miofibroblastów i fibroblastów. Źródło komórek, czy to arteria, czy żyła, wpłynie na właściwości ostatecznej struktury. Sztuczne zastawki serca z matrycą zasianą komórkami żylnymi, pod względem stopnia tworzenia się kolagenu i stabilności mechanicznej, przewyższają struktury wysiane przez komórki tętnic. Wybór żył obwodowych wydaje się być dogodniejszym źródłem pozyskiwania komórek.

Myofibroblasty można również pobrać z tętnic szyjnych. W tym samym czasie komórki otrzymane z naczyń różnią się zasadniczo od ich naturalnych komórek śródmiąższowych. Autologiczne komórki pępowinowe można wykorzystać jako alternatywne źródło komórek.

Sztuczne zastawki serca oparte na komórkach macierzystych

Postęp w inżynierii tkankowej w ostatnich latach ułatwiają badania nad komórkami macierzystymi. Wykorzystanie komórek macierzystych czerwonego szpiku kostnego ma swoje zalety. W szczególności prostota pobierania próbek biomateriału i hodowli in vitro z późniejszym różnicowaniem na różne typy komórek mezenchymalnych pozwala uniknąć stosowania nienaruszonych naczyń. Komórki macierzyste są pluripotentnymi źródłami drobnoustrojów komórkowych, posiadają unikalne cechy immunologiczne, które przyczyniają się do ich stabilności w warunkach allogenicznych.

Ludzkie komórki macierzyste szpiku kostnego uzyskuje się przez nakłucie lub nakłucie mostka biodrowego. Są izolowane z 10-15 ml aspiratu mostka, oddzielane od innych komórek i hodowane. Po osiągnięciu liczby komórek żądany (zwykle w ciągu 21-28 dni) powodują ich siewu (kolonizację) w matrycy jest hodowana w pożywce, w statycznym położeniu (w ciągu 7 dni w inkubatorze z nawilżaniem w temperaturze 37 ° C w obecności 5% CO2). Następnie stymulacja wzrostu komórek przez środowisko kupturalnuyu (bodźców biologicznych) lub w warunkach fizjologicznych przez tworzenie wzrostu tkanki podczas odkształcenia izometrycznego urządzenia odtwarzającego impulsowego - bioreaktora (bodźce mechaniczne). Fibroblasty są wrażliwe na bodźce mechaniczne, które promują ich wzrost i funkcjonalną aktywność. Pulsujący przepływ powoduje wzrost odkształceń zarówno promieniowych, jak i obwodowych, co prowadzi do orientacji (wydłużenia) zaludnionych komórek w kierunku działania takich naprężeń. Prowadzi to z kolei do kształtowania zorientowanych struktur włóknistych klap. Stały przepływ powoduje tylko styczne naprężenia na ścianach. Pulsujący strumień ma korzystny wpływ na morfologię komórek, proliferację i skład macierzy pozakomórkowej. Charakter przepływu pożywki, warunki fizykochemiczne (pH, pO2 i pCO2) w bioreaktorze również znacząco wpływają na produkcję kolagenu. Tak więc, przepływ laminarny, cykliczne prądy wirowe zwiększają produkcję kolagenu, co prowadzi do poprawy właściwości mechanicznych.

Innym podejściem w rozwijających się strukturach tkankowych jest tworzenie warunków embrionalnych w bioreaktorze zamiast modelowania warunków fizjologicznych ciała ludzkiego. Wyhodowane na podstawie komórek macierzystych bioclaps tkanek mają ruchome i plastikowe zastawki, które funkcjonalnie dobrze się zachowują pod wpływem wysokiego ciśnienia i przepływu przekraczającego poziom fizjologiczny. Histologiczne i histochemiczne badania ulotek tych struktur wykazały obecność w nich aktywnie postępujących procesów biodegradacji matrycy i jej zastąpienie żywą tkanką. Tkanka jest zorganizowana w postaci laminowanej o charakterystyce białek macierzy pozakomórkowej, podobnej do charakterystyki tkanki natywnej przez obecność kolagenu typu I i III oraz glikozoaminoglikanów. Jednak nie otrzymano typowej trójwarstwowej struktury zaworów - komorowych, gąbczastych i włóknistych. Odkryty we wszystkich fragmentach, komórki ASMA-dodatnie wyrażające wimentynę miały cechy podobne do charakterystyki miofibroblastów. Mikroskopia elektronowa elementów komórkowych okazały się być charakterystyczna dla żywych, aktywnych miofibroblastów wydzielniczych (aktyny / miozyny włókna, przędza, kolagenu, elastyny), a na powierzchni tkaniny - komórki śródbłonka.

Kołnierze typu I, III, ASMA i wimentyny zostały znalezione na zaworach. Własności mechaniczne skrzydeł tkanki i struktur natywnych były porównywalne. Sztuczne zawory serca tkanek wykazywały doskonałą wydajność przez 20 tygodni i przypominały naturalne struktury anatomiczne pod względem ich mikrostruktury, profilu biochemicznego i tworzenia macierzy białkowej.

Wszystkie sztuczne zastawki serca, uzyskane metodą inżynierii tkankowej, zostały wszczepione zwierzęciu w pozycję płucną, ponieważ ich właściwości mechaniczne nie odpowiadają obciążeniom w pozycji aorty. Zawory tkankowe implantowane od zwierząt są strukturalnie podobne w swojej strukturze do natywnych, co wskazuje na ich dalszy rozwój i rearanżację w warunkach in vivo. Niezależnie od tego, czy proces przeszczepiania tkanek i dojrzewania będzie kontynuowany w warunkach fizjologicznych po wszczepieniu sztucznych zastawek serca, jak zaobserwowano w doświadczeniach na zwierzętach, dalsze badania pokażą.

Idealnymi sztuczne zastawki serca powinny mieć porowatość nie mniejszą niż 90%, ponieważ jest to niezbędne dla wzrostu komórek, dostarczanie substancji odżywczych i usuwanie produktów przemiany materii komórek, dodatkowo do biozgodności i biodegradowalności, sztuczne zastawki serca powinny chemicznie korzystne do zaszczepienia na powierzchni komórki i zgodne mechanicznie właściwości naturalnej tkanki. Poziom biodegradacji matrycy musi być kontrolowany i proporcjonalny do poziomu tworzenia nowej tkanki, aby zapewnić gwarancję stabilności mechanicznej przez pewien czas.

Obecnie opracowywane są matryce syntetyczne i biologiczne. Najczęstsze materiały biologiczne do tworzenia macierzy to struktury anatomiczne dawców, kolagen i fibryna. Sztuczne zastawki serca polimerowe są zaprojektowane do biodegradacji po implantacji, jak tylko wszczepione komórki zaczynają produkować i organizować własną macierz zewnątrzkomórkową. Tworzenie nowej tkanki macierzy może być regulowane lub stymulowane przez czynniki wzrostu, cytokiny lub hormony.

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

Sztuczne zastawki serca dawcy

Sztuczne zastawki serca pochodzące od ludzi lub zwierząt i pozbawione antygenów komórkowych przez decelularyzację w celu zmniejszenia ich immunogenności mogą być stosowane jako matryce. Zachowane białka macierzy pozakomórkowej są podstawą do późniejszej adhezji komórek, które się wysiewa. Są to następujące sposoby usuwania elementów komórkowych (atsellyulyarizatsii) zamrażanie potraktowaniu trypsyną / EDTA detergentu - dodecylosiarczan sodowy, deoksikolatom sodu, Triton X-100, Mega 10 TnBR CHAPS, Tween 20, a także wielostopniowe sposoby obróbki enzymatycznej. Jednocześnie zachowywane są błony komórkowe, kwasy nukleinowe, lipidy, struktury cytoplazmatyczne i rozpuszczalne cząsteczki macierzy, podczas gdy kolagen i elastyna są zatrzymywane. Jednak nie znaleziono jeszcze idealnej metody. Tylko dodecylosiarczan sodu (0,03-1%) lub deoksykolan sodu (0,5-2%) spowodował całkowite usunięcie komórek po 24 godzinach leczenia.

Badanie histologiczne zdalnego detsellyulyarizovannyh bioklapanov (przeszczepu i ksenoprzeszczepu) u zwierząt doświadczalnych (psy i świnie) wykazano, że nie jest częściowym wrastanie i śródbłonka miofibroblastów biorcę, na podłożu, nie stwierdzono oznak zwapnienia. Stwierdzono umiarkowanie wyraźny naciek zapalny. Jednak w badaniach klinicznych odkomórkowionego zaworu SynerGraftTM rozwinęła się wczesna niewydolność. W matrycy bioprotezy oznaczono wyraźną reakcję zapalną, która początkowo była niespecyficzna i towarzyszyła jej reakcja limfocytarna. Dysfunkcja i degeneracja bioprotezy rozwinęła się w ciągu jednego roku. W komórkach nie zaobserwowano kolonizacji komórek, jednak wykryto zwapnienie zaworów i resztek komórek preimplantacyjnych.

Komórki śródbłonka rozstawione bezkomórkową matrycę i hodowano w warunkach in vitro i in vivo powstających spójną warstwę na powierzchni klapy w i komórki śródmiąższowe Zakażone Natywna struktura wykazała ich zdolność do różnicowania. Jednakże, w celu osiągnięcia pożądanego poziomu fizjologicznego kolonizacji komórek macierzy upadłych w warunkach dynamicznych w bioreaktorze i zaimplantowane sztuczne zastawki towarzyszyły wystarczająco szybko (trzy miesiące) zagęszczający dzięki przyspieszonej proliferacji komórek i tworzenie macierzy zewnątrzkomórkowej. Tak więc, na tym etapie zastosowanie bezkomórkowej macierzy dawcy ich kolonizacji przez komórki ma szereg nierozwiązanych problemów, w tym 8 immunologiczne i zakaźne charakter zastawek biologicznych detsellyulyarizovannymi trwają prace.

Należy zauważyć, że kolagen jest również jednym z potencjalnych materiałów biologicznych do wytwarzania matryc zdolnych do biodegradacji. Może być stosowany w postaci pianki, żelu lub płytek, gąbek i jako preforma na bazie włókien. Jednak stosowanie kolagenu wiąże się z szeregiem trudności technologicznych. W szczególności trudno jest uzyskać od pacjenta. Dlatego w chwili obecnej większość matryc kolagenowych pochodzi z pochodzenia zwierzęcego. Opóźniona biodegradacja kolagenu pochodzenia zwierzęcego może wiązać się z podwyższonym ryzykiem zakażenia zoonotycznego, wywoływać reakcje immunologiczne i zapalne.

Fibryna jest kolejnym materiałem biologicznym o kontrolowanej charakterystyce biodegradacji. Ponieważ żele fibrynowe mogą być wytwarzane z krwi pacjenta w celu późniejszej produkcji autologicznej matrycy, wszczepienie takiej struktury nie spowoduje jej toksycznej degradacji i odpowiedzi zapalnej. Jednakże fibryna ma takie wady, jak dyfuzja i wymywanie do środowiska oraz niskie właściwości mechaniczne.

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

Sztuczne zawory serca wykonane z materiałów syntetycznych

Sztuczne zastawki serca są również wykonane z materiałów syntetycznych. Kilka prób wytwarzane zawory matryce oparte były na wykorzystaniu poliglaktyny, kwas poliglikolowy (PGA), kwas polilakticheskoy (PLA), kopolimer PLA i PGA (PLGA) i polihydroksyalkaniany (PHA). Wysoce porowaty materiał syntetyczny można uzyskać z tkanych lub nietkanych włókien i stosując technologię ługowania solą. Obiecujące materiału kompozytowego (PGA / R4NV) do wytwarzania macierzy pochodzących z pętli włókninowe kwas poliglikolowy (PGA), pokrytej poli-4-hydroksymaślan (R4NV). Wytworzone sztuczne zawory serca z tego materiału są sterylizowane tlenkiem etylenu. Jednakże znaczna początkowa sztywność i grubość pętli tych polimerów, ich szybka i niekontrolowana degradacja, wraz z uwalnianiem kwaśnych produktów cytotoksycznych, wymagają dalszych badań i poszukiwania innych materiałów.

Za pomocą autologicznych płytkach do hodowli tkankowych miofibroblasty hodować na ramie, tworząc macierz nośnikowa stymulując wytwarzanie tych komórek otrzymuje się próbki o czynne zaworów żywych komórek otoczonych macierzy zewnątrzkomórkowej. Jednak mechaniczne właściwości tkanek tych zaworów są niewystarczające do ich implantacji.

Niezbędny poziom proliferacji i regeneracji tkanki utworzonej zastawki nie może zostać osiągnięty przez jedynie połączenie komórek i matrycy. Ekspresję genu komórkowego i tworzenie tkanki można regulować lub stymulować przez dodanie czynników wzrostu, cytokin lub hormonów, czynników mitogennych lub czynników adhezji w matrycach i matrycach. Analizowana jest możliwość wprowadzenia tych regulatorów do biomateriałów macierzy. Ogólnie rzecz biorąc, istnieje znaczny brak badań nad regulacją procesu tworzenia zastawki tkankowej przez biochemiczne bodźce.

Bezkomórkowa świński heterologiczny matrycowego P bioprotezy płuc obejmuje detsellyulyarizovannoy tkanina poddana specjalnym opatentowanym procedury AutoTissue GmbH obejmującej leczenie antybiotykami, deoksycholanem sodu i alkohol ten sposób obróbki przyjęte przez Międzynarodową Organizację Normalizacyjną eliminuje wszystkie żywe komórki i struktura postkletochnye (fibroblasty, komórki śródbłonka bakterie, wirusy, grzyby, Mycoplasma) zachowuje architekturę macierzy zewnątrzkomórkowej, zmniejsza poziom DNA i RNA, w tym tkanki, minima mA, który redukuje się do zera prawdopodobieństwo przekazywania świński endogenny retrowirus (-CN-) użytkownika. Bioproteza Matrix P składa się wyłącznie z kolagenu i elastyny z zachowaną integracją strukturalną.

Podczas doświadczeń na owcach zarejestrowano minimalną reakcję z otaczającej tkanki, w ciągu 11 miesięcy po implantacji P Matrix zastawką z dobrą wydajność jego przetrwania, która w szczególności przejawia się w błyszczącą powierzchnię wewnętrzną wsierdzia. W rzeczywistości nie było reakcji zapalnych, zgrubień i skracania klapek zastawki. Stwierdzono również niski poziom wapnia w tkance bioptuli Matrix P, różnica była statystycznie istotna w porównaniu z leczonym aldehydem glutarowym.

Sztuczne zastawki serca Matrix P dostosowuje się do indywidualnych warunków pacjenta przez kilka miesięcy po jego wszczepieniu. W badaniu, po upływie okresu kontrolnego, zidentyfikowano nienaruszoną macierz pozakomórkową i śródbłonek drenujący. Ksenoprzeszczepy macierzy R implantowane w etapie Ross wykonanej u 50 pacjentów z wrodzonymi wadami w okresie od 2002 do 2004, wykazały wysoką wydajność i obniżyć spadki ciśnienia w porównaniu z zamrożonych zastawkę i detsellyulyarizovannymi przeszczepu SynerGraftMT i bezramowych zastawek biologicznych traktuje się glutaraldehydem. Macierz P sztucznych zastawek serca dla wymiany zastawki płucnej tętnicy podczas rekonstrukcji prawej komory odpływu w chirurgii wrodzonych i nabytych wad i płucnego zawór protezy w procedurze Ross, jest dostępny w czterech wymiarów (średnicy wewnętrznej) infant (15-17 mm ), dla dzieci (18-21 mm), średnio zaawansowanych (22-24 mm) i dorosłych (25-28 mm).

Postęp w rozwoju zaworów na podstawie inżynierii tkankowej będzie zależeć od powodzenia biologii komórki zawór (w tym kwestii ekspresji genów i rozporządzenia), badanie embriogeniczny i wiek zaworów (w tym czynników angiogennych i neurogenne), dokładnej znajomości biomechaniki każdego zaworu, zidentyfikować odpowiedni dla rozstrzygania komórki opracowanie optymalnych matryc. Dla dalszego rozwoju bardziej zaawansowanych Zastawki tkankowe, pełne zrozumienie relacji między mechanicznych i strukturalnych właściwości natywnej zaworu i bodźców (biologiczne lub mechaniczne), aby utworzyć te właściwości w warunkach in vitro.

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