Zastawki serca

Wcześniej uważano, że wszystkie zastawki serca są prostymi strukturami, których wkład w jednokierunkowy przepływ krwi polegał po prostu na biernym ruchu w odpowiedzi na zastosowany gradient ciśnienia. To zrozumienie „pasywnych struktur” doprowadziło do opracowania „pasywnych” mechanicznych i biologicznych substytutów zastawek.

Staje się teraz oczywiste, że zastawki serca mają bardziej złożoną strukturę i funkcję. Dlatego stworzenie „aktywnej” zastawki serca zakłada znaczące podobieństwo w strukturze i funkcji do naturalnej zastawki serca, co w przyszłości jest całkiem realistyczne dzięki rozwojowi inżynierii tkankowej.

Zastawki serca rozwijają się z embrionalnych zawiązków tkanki mezenchymalnej podczas formowania się wsierdzia. Podczas morfogenezy tworzą się kanał przedsionkowo-komorowy (zastawki serca trójdzielna i mitralna) oraz droga odpływu komorowego (zastawki serca aortalna i płucna).

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

Jak ułożone są zastawki serca?

Badania ukrwienia zastawek zapoczątkował N. Luschka (1852), który wstrzyknął do naczyń serca masę kontrastową. Odkrył on liczne naczynia krwionośne w płatkach zastawek przedsionkowo-komorowych i półksiężycowatych aorty i tętnicy płucnej. Jednocześnie w szeregu podręczników anatomii patologicznej i histologii znalazły się wskazówki, że niezmienione zastawki serca człowieka nie zawierają naczyń krwionośnych, a te ostatnie pojawiają się w zastawkach tylko w różnych procesach patologicznych - miażdżycy i zapaleniu wsierdzia o różnej etiologii. Informacje o braku naczyń krwionośnych opierały się głównie na badaniach histologicznych. Przyjęto, że przy braku naczyń krwionośnych w wolnej części płatków ich odżywianie następuje przez filtrowanie płynu z osocza krwi przemywającego płatki. Odnotowano penetrację kilku naczyń wraz z włóknami tkanki mięśniowej prążkowanej do podstaw zastawek i ścięgien.

Jednakże wstrzykując do naczyń krwionośnych serca różne barwniki (tusz indyjski w żelatynie, bizmut w żelatynie, wodną zawiesinę czarnego tuszu, roztwory karminu lub błękitu trypanu) stwierdzono, że naczynia przenikają przez zastawki przedsionkowo-komorowe serca, zastawki aorty i tętnicę płucną wraz z tkanką mięśnia sercowego, nieznacznie poniżej wolnego brzegu zastawki.

W luźnej tkance łącznej włóknistej płatków zastawek przedsionkowo-komorowych znaleziono pojedyncze naczynia główne, zespolone z naczyniami sąsiadujących obszarów tkanki mięśnia prążkowanego serca.

Najwięcej naczyń krwionośnych znajdowało się u podstawy zastawki, a stosunkowo najmniej w jej wolnej części.

Według KI Kulchitsky'ego i in. (1990) większą średnicę naczyń tętniczych i żylnych stwierdza się w zastawce mitralnej. U podstawy płatków tej zastawki znajdują się głównie główne naczynia z wąskopętlową siecią naczyń włosowatych, wnikających do części podstawnej płatka i zajmujących 10% jego powierzchni. W zastawce trójdzielnej naczynia tętnicze mają mniejszą średnicę niż w zastawce mitralnej. W płatkach tej zastawki znajdują się głównie rozproszone naczynia i stosunkowo szerokie pętle naczyń włosowatych. W zastawce mitralnej przedni płatek jest zaopatrywany w krew intensywniej, w zastawce trójdzielnej - płatek przedni i tylny, które pełnią główną funkcję zamykającą. Stosunek średnic naczyń tętniczych i żylnych w zastawkach przedsionkowo-komorowych serca ludzi dojrzałych wynosi 1:1,5. Pętle naczyń włosowatych są wielokątne i są położone prostopadle do podstawy płatków zastawek. Naczynia tworzą płaską sieć zlokalizowaną pod śródbłonkiem po stronie przedsionków. Naczynia krwionośne znajdują się również w strunach ścięgnistych, gdzie przenikają z mięśni brodawkowatych prawej i lewej komory w odległości do 30% długości strun ścięgnistych. Liczne naczynia krwionośne tworzą łukowate pętle u podstawy strun ścięgnistych. Zastawki serca aorty i pnia płucnego różnią się znacząco od zastawek przedsionkowo-komorowych pod względem ukrwienia. Główne naczynia o stosunkowo mniejszej średnicy zbliżają się do podstawy płatków półksiężycowatych aorty i pnia płucnego. Krótkie gałęzie tych naczyń kończą się pętlami naczyń włosowatych o nieregularnym owalnym i wielokątnym kształcie. Znajdują się one głównie w pobliżu podstawy płatków półksiężycowatych. Naczynia żylne u podstawy zastawek aorty i płuc mają również mniejszą średnicę niż te u podstawy zastawek przedsionkowo-komorowych. Stosunek średnic naczyń tętniczych i żylnych w zastawkach aorty i płuc serca osób dojrzałych wynosi 1:1,4. Krótkie boczne gałęzie odchodzą od większych naczyń, kończąc się pętlami naczyń włosowatych o nieregularnych owalnych i wielokątnych kształtach.

Z wiekiem następuje pogrubienie włókien tkanki łącznej, zarówno kolagenowych, jak i elastycznych, a także zmniejszenie ilości luźnej włóknistej nieuformowanej tkanki łącznej, rozwija się sklerotyzacja tkanki płatków zastawek przedsionkowo-komorowych i płatków półksiężycowatych zastawek aorty i tętnicy płucnej. Długość włókien mięśnia poprzecznie prążkowanego serca w zastawkach ulega zmniejszeniu, a w konsekwencji zmniejsza się jego ilość i liczba naczyń krwionośnych penetrujących zastawki serca. W wyniku tych zmian zastawki serca tracą swoje właściwości sprężyste i sprężyste, co wpływa na mechanizm zamykania zastawek i hemodynamikę.

Zastawki serca mają sieci naczyń włosowatych limfatycznych i niewielką liczbę naczyń limfatycznych wyposażonych w zastawki. Naczynia włosowate limfatyczne płatków mają charakterystyczny wygląd: ich światło jest bardzo nierówne, ta sama kapilara w różnych obszarach ma różną średnicę. W miejscach, w których łączy się kilka naczyń włosowatych, powstają poszerzenia - luki o różnych kształtach. Pętle sieci są często nieregularne wielokątne, rzadziej owalne lub okrągłe. Często pętle sieci limfatycznych nie są zamknięte, a naczynia włosowate limfatyczne kończą się ślepo. Pętle naczyń włosowatych limfatycznych są zorientowane najczęściej w kierunku od wolnego brzegu płatka do jego podstawy. W niektórych przypadkach w płatkach zastawki przedsionkowo-komorowej stwierdzono dwuwarstwową sieć naczyń włosowatych limfatycznych.

Sploty nerwów wsierdziowych znajdują się w różnych warstwach, głównie pod śródbłonkiem. Na wolnym brzegu płatków zastawki włókna nerwowe znajdują się głównie promieniowo, łącząc się z włóknami ścięgnistych strun. Bliżej podstawy płatków tworzy się splot nerwowy o dużej siatce, który łączy się ze splotem zlokalizowanym wokół włóknistych pierścieni. Na płatkach półksiężycowatych sieć nerwów wsierdziowych jest bardziej rzadka. W miejscu przyczepu zastawek staje się gęsta i wielowarstwowa.

Struktura komórkowa zastawek serca

Komórki śródmiąższowe zastawek, odpowiedzialne za utrzymanie struktury zastawki, mają wydłużony kształt z licznymi drobnymi wypustkami, które rozciągają się przez macierz zastawki. Istnieją dwie populacje komórek śródmiąższowych zastawek, które różnią się morfologią i strukturą; jedna ma właściwości kurczliwe i charakteryzuje się obecnością włókienek kurczliwych, druga ma właściwości wydzielnicze i ma dobrze rozwinięte siateczki śródplazmatyczne i aparat Golgiego. Funkcja kurczliwa opiera się ciśnieniu hemodynamicznemu i jest dodatkowo wspierana przez produkcję białek kurczliwych zarówno serca, jak i szkieletu, które obejmują ciężkie łańcuchy alfa- i beta-miozyny oraz różne izoformy troponiny. Skurcz płatka zastawki serca został wykazany w odpowiedzi na szereg środków wazoaktywnych, co sugeruje skoordynowany bodziec biologiczny dla pomyślnej funkcji zastawki.

Komórki śródmiąższowe są również niezbędnymi składnikami systemu naprawczego struktur, takich jak zastawki serca. Ciągły ruch płatków zastawki i związana z tym deformacja tkanki łącznej powoduje uszkodzenia, na które reagują komórki śródmiąższowe zastawki, aby utrzymać integralność zastawki. Proces naprawy wydaje się być niezbędny do prawidłowego funkcjonowania zastawki, a brak tych komórek w obecnych modelach sztucznych zastawek jest prawdopodobnie czynnikiem przyczyniającym się do strukturalnych uszkodzeń bioprotez.

Ważnym obszarem badań nad komórkami śródmiąższowymi jest badanie interakcji między nimi a otaczającą je macierzą, w których pośredniczą cząsteczki adhezji ogniskowej. Adhezje ogniskowe to wyspecjalizowane miejsca interakcji komórka-macierz, które łączą cytoszkielet komórki z białkami macierzy za pośrednictwem integrin. Działają one również jako miejsca przekazywania sygnału, przekazując informacje mechaniczne z macierzy zewnątrzkomórkowej, które mogą wywołać reakcje, w tym, ale nie wyłącznie, adhezję komórek, migrację, wzrost i różnicowanie. Zrozumienie biologii komórkowej komórek śródmiąższowych zastawek jest kluczowe dla wyjaśnienia mechanizmów, za pomocą których te komórki oddziałują ze sobą i swoim otoczeniem, tak aby tę funkcję można było odtworzyć w sztucznych zastawkach.

W związku z rozwojem obiecującego kierunku inżynierii tkankowej zastawek serca, badania komórek śródmiąższowych są prowadzone przy użyciu szerokiego zakresu technik. Obecność cytoszkieletu komórkowego jest potwierdzana przez barwienie na wimentynę, desminę, troponinę, alfa-aktynę i miozynę mięśni gładkich, ciężkie łańcuchy alfa- i beta-miozyny, lekkie łańcuchy-2 miozyny sercowej, alfa- i beta-tubulinę. Kurczliwość komórek jest potwierdzana przez pozytywną odpowiedź na epinefrynę, angiotensynę II, bradykininę, karbachol, chlorek potasu, śródbłonek I. Wzajemne powiązania komórkowe są określane przez oddziaływania luk funkcjonalnych i weryfikowane przez mikroiniekcje karboksyfluoresceiny. Wydzielanie macierzy jest ustalane przez barwienie na prolyl-4-hydroksylazę/kolagen typu II, fibronektynę, siarczan chondroityny, lamininę. Innerwacja jest ustalana przez bliskie położenie zakończeń nerwów ruchowych, co odzwierciedla aktywność neuropeptydu Y hydroksylazy tyrozynowej, acetylocholinoesterazy, wazoaktywnego polipeptydu jelitowego, substancji P, peptydu związanego z genem papryki. Czynniki mitogenne są szacowane przez czynnik wzrostu pochodzący z płytek krwi, podstawowy czynnik wzrostu fibroblastów, serotoninę (5-HT). Badane fibroblasty komórek śródmiąższowych charakteryzują się niekompletną błoną podstawną, długimi, cienkimi wypustkami cytoplazmatycznymi, ścisłym połączeniem z macierzą, dobrze rozwiniętym nierównym retikulum endoplazmatycznym i aparatem Golgiego, bogactwem mikrofilamentów, tworzeniem wiązań adhezyjnych.

Komórki wsierdzia zastawkowego tworzą wokół każdej zastawki serca funkcjonalną osłonkę atrombogenną podobną do śródbłonka naczyniowego. Szeroko stosowana metoda wymiany zastawki eliminuje funkcję ochronną wsierdzia, co może prowadzić do odkładania się płytek krwi i fibryny na sztucznych zastawkach, rozwoju infekcji bakteryjnej i zwapnienia tkanek. Inną prawdopodobną funkcją tych komórek jest regulacja leżących u podłoża komórek śródmiąższowych zastawki, podobnie jak regulacja komórek mięśni gładkich przez śródbłonek. Istnieją złożone interakcje między śródbłonkiem a sąsiednimi komórkami, pośredniczone częściowo przez rozpuszczalne czynniki wydzielane przez komórki śródbłonka. Komórki te tworzą ogromną powierzchnię pokrytą mikrowypustkami po stronie światła, zwiększając w ten sposób ekspozycję i możliwą interakcję z substancjami metabolicznymi w krążącej krwi.

Śródbłonek często wykazuje różnice morfologiczne i funkcjonalne spowodowane naprężeniami ścinającymi na ścianie naczynia spowodowanymi przepływem krwi, co dotyczy również komórek wsierdzia zastawkowego, które przyjmują wydłużony lub wielokątny kształt. Zmiany w strukturze komórkowej mogą wystąpić z powodu działania lokalnej hemodynamiki na składniki cytoszkieletu komórkowego lub efektów wtórnych spowodowanych zmianami w macierzy zewnątrzkomórkowej. Na poziomie ultrastrukturalnym komórki wsierdzia zastawkowego posiadają połączenia międzykomórkowe, pęcherzyki osocza, szorstkie retikulum endoplazmatyczne i aparat Golgiego. Chociaż wytwarzają czynnik von Willebranda zarówno in vivo, jak i in vitro, brakuje im ciałek Weibela-Palade'a (specyficznych granulek zawierających czynnik von Willebranda), które są organellami charakterystycznymi dla śródbłonka naczyniowego. Komórki wsierdzia zastawkowego charakteryzują się silnymi połączeniami, interakcjami szczelin funkcjonalnych i zachodzącymi na siebie fałdami brzeżnymi.

Komórki wsierdzia zachowują swoją aktywność metaboliczną nawet in vitro: produkują czynnik von Willebranda, prostacyklinę, syntazę tlenku azotu, wykazują aktywność enzymu konwertującego angiotensynę i intensywnie wydzielają cząsteczki adhezyjne ICAM-1 i ELAM-1, które są ważne dla wiązania komórek jednojądrowych podczas rozwoju odpowiedzi immunologicznej. Wszystkie te markery należy wziąć pod uwagę podczas hodowli idealnej hodowli komórkowej do tworzenia sztucznej zastawki przy użyciu inżynierii tkankowej, ale immunostymulujący potencjał samych komórek wsierdzia zastawkowego może ograniczać ich zastosowanie.

Macierz pozakomórkowa zastawek serca składa się z włóknistych makrocząsteczek kolagenu i elastyny, proteoglikanów i glikoprotein. Kolagen stanowi 60% suchej masy zastawki, elastyna 10%, a proteoglikany 20%. Składnik kolagenowy zapewnia główną stabilność mechaniczną zastawki i jest reprezentowany przez kolageny typu I (74%), II (24%) i V (2%). Pęczki nici kolagenowych są otoczone osłonką elastyny, która pośredniczy w interakcjach między nimi. Łańcuchy boczne glikozaminoglikanów cząsteczek proteoglikanów mają tendencję do tworzenia substancji przypominającej żel, w której inne cząsteczki macierzy oddziałują, tworząc trwałe wiązania, a inne składniki są osadzane. Glikozaminoglikany ludzkich zastawek serca składają się głównie z kwasu hialuronowego, w mniejszym stopniu z siarczanu dermatanu, siarczanu chondroityny-4 i siarczanu chondroityny-6, z minimalną ilością siarczanu heparyny. Przebudowa i odnowa tkanki macierzy są regulowane przez metaloproteinazy macierzy (MMP) i ich inhibitory tkankowe (TI). Te cząsteczki biorą również udział w szerszym zakresie procesów fizjologicznych i patologicznych. Niektóre metaloproteinazy, w tym śródmiąższowe kolagenazy (MMP-1, MMP-13) i żelatynazy (MMP-2, MMP-9) i ich inhibitory tkankowe (TI-1, TI-2, TI-3), występują we wszystkich zastawkach serca. Nadmierna produkcja metaloproteinaz jest charakterystyczna dla stanów patologicznych zastawki serca.

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

Zastawki serca i ich budowa morfologiczna

Zastawki serca składają się z trzech morfologicznie odmiennych i funkcjonalnie istotnych warstw macierzy płatków: włóknistej, gąbczastej i komorowej.

Warstwa włóknista tworzy odporną na obciążenia konstrukcję dla płatka zastawki, składającą się z warstw włókien kolagenowych. Włókna te są ułożone promieniowo w fałdach, aby umożliwić rozciąganie się zastawek tętniczych podczas zamykania. Warstwa włóknista znajduje się w pobliżu zewnętrznej powierzchni wylotowej tych zastawek. Warstwa włóknista zastawek przedsionkowo-komorowych służy jako kontynuacja wiązek kolagenowych strun ścięgnistych. Znajduje się między warstwami gąbczastą (wlotową) i komorową (wylotową).

Pomiędzy warstwami włóknistą i komorową znajduje się warstwa gąbczasta (spongiosa). Warstwa gąbczasta składa się ze słabo zorganizowanej tkanki łącznej w lepkim środowisku. Dominującymi składnikami macierzy tej warstwy są proteoglikany z losowo zorientowanym kolagenem i cienkimi warstwami elastyny. Łańcuchy boczne cząsteczek proteoglikanów niosą silny ładunek ujemny, co wpływa na ich wysoką zdolność do wiązania wody i tworzenia porowatego żelu macierzy. Gąbczasta warstwa macierzy zmniejsza naprężenia mechaniczne w płatkach zastawki serca i utrzymuje ich elastyczność.

Warstwa komorowa jest znacznie cieńsza od pozostałych i jest bogata w włókna elastyczne, które pozwalają tkance przeciwstawiać się ciągłej deformacji. Elastyna ma gąbczastą strukturę otaczającą i łączącą włókna kolagenowe i utrzymuje je w neutralnym stanie złożonym. Warstwa wlotowa zastawki (komorowa - dla zastawek tętniczych i gąbczasta - dla zastawek przedsionkowo-komorowych) zawiera więcej elastyny niż wylotowa, co zapewnia zmiękczenie wstrząsu hydraulicznego, gdy płatki zastawki się zamykają. Ta relacja między kolagenem i elastyną pozwala płatkom rozciągnąć się do 40% bez stabilnej deformacji. Pod wpływem małego obciążenia struktury kolagenowe tej warstwy są zorientowane w kierunku obciążenia, a jej odporność na dalszy wzrost obciążenia wzrasta.

Tak więc, idea zastawek serca jako prostych duplikacji wsierdzia jest nie tylko uproszczona, ale także zasadniczo niepoprawna. Zastawki serca to złożone narządy, które obejmują włókna mięśni poprzecznie prążkowanych, naczynia krwionośne i limfatyczne oraz elementy nerwowe. Zarówno pod względem struktury, jak i funkcjonowania, zastawki są integralną częścią wszystkich struktur serca. Analiza normalnej funkcji zastawki musi uwzględniać jej organizację komórkową, a także interakcje komórek ze sobą i z macierzą. Wiedza uzyskana z takich badań jest wiodąca w projektowaniu i rozwoju protez zastawkowych przy użyciu inżynierii tkankowej.