Dirbtiniai širdies vožtuvai

Šiuolaikiška, prieinama klinikiniam naudojimui, biologiškai dirbtinės širdies vožtuvai, išskyrus plaučių autograftą, yra negyvybingos struktūros, kurioms trūksta augimo ir audinių atstatymo galimybių. Tai labai riboja jų naudojimą, ypač vaikams, kai korekcinė vožtuvų patologija. Audinių inžinerija buvo suformuota per pastaruosius 15 metų. Šios mokslo krypties tikslas yra dirbtinių sąlygų kūrimas tokioms struktūroms kaip dirbtinės širdies vožtuvai su trombų atspariu paviršiumi ir perspektyviu intersticiu.

[1], [2],

Kaip veikia dirbtinės širdies vožtuvai?

Mokslo samprata audinių inžinerijos remiasi sureguliavimo ir auginimo gyvų ląstelių (fibroblastų, kamieninės ląstelės ir tt) sintetinio ar natūralaus absorbuotis skeleto (matricos), atstovaujantys trimatę vožtuvo struktūrą, taip pat signalų naudojimą, kurie reguliuoja genų, organizavimo ir produktyvumo išraiška persodinto idėjos ląstelių susidarymo metu ekstraląstelinę matricą.

Tokie dirbtiniai širdies vožtuvai integruojami į paciento audinį, kad galutinis jo struktūros ir funkcijos atstatymas ir toliau būtų išlaikytas. Taigi pradinio matricos kaip šios operacijos ląstelių (fibroblastų ir miofibroblastų al.), Naują rėmo kollagenoelastinovy arba, tiksliau, išorės matriksą rezultatas. Kaip rezultatas, optimalus dirbtiniai širdies vožtuvai pagal audinių inžinerijos technika misą anatominės struktūros ir jų funkcijų arčiau gimtoji, ir turi biomechaninio prisitaikyti, gebėjimą atstatymui ir augimui.

Audinių inžinerija kuria dirbtinius širdies vožtuvus, naudojančius įvairius ląstelių derliaus šaltinius. Taigi, gali būti naudojamos ksenogeninės arba alogeninės ląstelės, nors pirmosios yra susijusios su zoonozių transportavimo žmonėmis rizika. Siekiant sumažinti antigenogeniškumą ir užkirsti kelią organizmo atmetimo reakcijoms galima genetine modifikacija alogeninių ląstelių. Audinių inžinerija reikalauja patikimo ląstelių gamybos šaltinio. Šis šaltinis yra autogeninės ląstelės, paimtos tiesiai iš paciento ir neleidžia imuninei sistemai reimplantacijos metu. Veiksmingi dirbtiniai širdies vožtuvai gaminami iš autologinių ląstelių, gautų iš kraujagyslių (arterijų ir venų). Norint gauti grynąsias ląstelių kultūras, buvo sukurtas metodas, pagrįstas fluorescenciniu būdu aktyvuotos ląstelių rūšiavimo (FACS) naudojimu. Mišrus ląstelių populiacija, gaunama iš kraujo indo, yra paženklinta acetilinto mažo tankio lipoproteinų žymeniu, kuris selektyviai absorbuojamas ant endoteliocitų paviršiaus. Vėliau endoteliocitus galima lengvai atskirti nuo daugumos ląstelių, gautų iš kraujagyslių, kurie bus vaizduojami lygiųjų raumens ląstelių, miofibroblastų ir fibroblastų mišiniu. Ląstelių šaltinis, ar tai būtų arterija ar veninė linija, turės įtakos galutinės struktūros savybėms. Taigi, dirbtinės širdies vožtuvai su matrica, pasėliuojama su venų ląstelėmis, atsižvelgiant į kolageno susidarymo laipsnį ir mechaninį stabilumą, viršija arterijų ląstelių apsėtus statinius. Atrodo, kad periferinių venų pasirinkimas yra patogesnis ląstelių derliaus šaltinis.

Myofibroblastai taip pat gali būti paimami iš miego arterijų. Tuo pačiu metu ląstelės, gautos iš indų, iš esmės skiriasi nuo jų natūralių intersticinių ląstelių. Autonominės bambos ląstelės gali būti naudojamos kaip alternatyvus ląstelių šaltinis.

Dirbtinės širdies vožtuvai, pagrįsti kamieninėmis ląstelėmis

Pastaraisiais metais audinių inžinerijos pažangą lengvina kamieninių ląstelių tyrimai. Raudonųjų kaulų čiulpų kamieninių ląstelių naudojimas turi savo privalumų. Visų pirma, biomaterialų mėginių ėmimo ir auginimo in vitro paprastumas, vėliau diferencijuojant į įvairių rūšių mezenchimos ląsteles, leidžia išvengti nepažeistų indų naudojimo. Kamieninės ląstelės yra pluripotenciniai ląstelių mikrobų šaltiniai, turi unikaliąsias imunologines savybes, kurios prisideda prie jų stabilumo alogeninėse sąlygose.

Žmogaus kaulų čiulpų kamieninės ląstelės yra gaunamos šarminės pūslelės perpjovimo arba dugno šlapimo pūslelės. Jie yra izoliuoti nuo 10-15 ml krūtinkaulio aspiro, atskirti nuo kitų ląstelių ir kultivuoti. Pasiekus norimą ląstelių skaičius (paprastai per 21-28 dienų) gaminti jų sėjos (kolonijas) matricoje yra kultivuojamos statinio padėtyje terpės (7 dienas drėgnoje inkubatoriuje 37 ° C temperatūroje ne didesnis kaip 5% CO2 buvimą). Vėliau stimuliacija ląstelių augimo per kupturalnuyu aplinkoje (biologinis veiksniams) arba fiziologinėms sąlygoms per audinių augimo skatinimo per savo deformacijos izometrinių atkūrimo aparatais impulsiniai - bioreaktorius (mechaniniams veiksniams). Fibroblastai yra jautrūs mechaniniams stimuliams, kurie skatina jų augimą ir funkcinį aktyvumą. Pulsuojantis srautas sukelia į tiek ir radialinio apskritiminių deformacijų padidėjimą, kuris sukelia orientacijos (pailgėjimas) ląsteles gyvenamų kai veiksmai tokių įtempimų kryptimi. Tai, savo ruožtu, lemia lakštų orientuotų pluoštų struktūrų susidarymą. Pastovus srautas sukelia tik tangentinius įtempius ant sienų. Pulsuojantis srautas turi teigiamą poveikį ląstelių morfologijai, proliferacijai ir ekstraląstelinio matricos sudėčiai. Maitinamojo terpės srautą, fizinės ir cheminės sąlygos (pH, Po2 ir Pco2) bioreaktoriuje, pobūdis taip pat žymiai paveikti kolageno gamybą. Taigi, laminarinis srautas, cikliniai eddy srovės padidina kolageno gamybą, dėl kurio atsiranda geresnių mechaninių savybių.

Kitas požiūris į augančių audinių struktūras yra sukurti embrionines sąlygas bioreaktoriuje, o ne modeliuojant fiziologines žmogaus kūno sąlygas. Auginami kamieninių ląstelių audinių bioklapany turi tento juostos ir plastiko funkciškai išjungti esant aukštam slėgiui ir srauto, viršijančios fiziologinį lygį. Histologinių studijos lankstinukai šių struktūrų parodė buvimą juos aktyviai veikia procesus biodegradacijos matricos ir pakeičiant ją gyvybingą audinį. Audinio laminatas tipas įtaisytas ant ląstelės išorės matriksą baltymų, tokių savybių natyvaus audinio pagal I ir III tipo kolageno buvimo charakteristikas, ir polisacharidus. Tačiau įprasta trijų sluoksnių vožtuvų struktūra - skilvelių, kempinių ir pluoštinių sluoksnių - nebuvo gauta. Iš visų fragmente esančių ASMA teigiamų ląstelių, ekspresuojančių vimentiną, būdingos charakteristikos, panašios į myofibroblastų savybes. Elektronų mikroskopija ląstelių elementų buvo nustatyta, kad būti būdingi gyvybingų, aktyvių sekrecijos miofibroblastus (aktino / miozino siūlų, verpalai kolageno, elastino), o ant audinio paviršiaus - endotelio ląstelių.

Ant sklendžių buvo rasta I, III tipo apykaklės, ASMA ir vimentin. Audinių ir vietinių struktūrų sparnų mechaninės savybės buvo panašios. Audinių dirbtinės širdies vožtuvai parodė puikų našumą 20 savaičių ir primena natūralias anatomines struktūras jų mikrostruktūros, biocheminio profilio ir baltymo matricos formavimosi.

Visi dirbtiniai širdies vožtuvai, gauti audinių inžinerijos būdu, buvo implantuoti gyvūno plaučių padėtyje, nes jų mechaninės savybės neatitinka apkrovų aortos padėtyje. Iš gyvūnų implantuojami audinių vožtuvai yra struktūriškai panašūs jų struktūroje į vietines, o tai rodo jų tolesnę plėtrą ir pertvarkymą in vivo sąlygomis. Kaip bus pastebėta eksperimentuose su gyvūnais, implantuojami ar vyks audinių restruktūrizavimo ir brandinimo procesas fiziologinėmis sąlygomis po dirbtinių širdies vožtuvų, bus pateikti tolesni tyrimai.

Idealus dirbtiniai širdies vožtuvai turi turėti ne mažiau kaip 90% akytumo, nes jis yra būtinas ląstelių augimui, maistinių medžiagų ir pašalinti ląstelių medžiagų apykaitos produktų pristatymo, be to, į biologinį suderinamumą ir biologiniam skilimui, dirbtiniai širdies vožtuvai turi būti chemiškai palanki sėjama ląstelių paviršiaus ir mechaniškai atitinka natūralaus audinio savybės. Iš biologinį skaidymą matricos lygis turi būti kontroliuojamas ir proporcingas formavimo naujos audinio lygio tam, kad užtikrinti mechaninį stabilumą tam tikrą laiką.

Šiuo metu kuriamos sintetinės ir biologinės matricos. Dažniausiai naudojamos biologinės medžiagos matricų kūrimui yra donorų anatominės struktūros, kolageno ir fibrino. Polimeriniai dirbtiniai širdies vožtuvai yra skirti biologiškai suskaidyti po implantacijos, kai implantuojamos ląstelės pradeda gaminti ir organizuoti savo neakustinių matricų tinklą. Naujo matricos audinio susidarymą gali reguliuoti arba stimuliuoti augimo faktoriai, citokinai ar hormonai.

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

Donoro dirbtinės širdies vožtuvai

Suteikti dirbtinius širdies vožtuvus, gaunamus iš žmonių ar gyvūnų ir neturinčių ląstelių antigenų dekluurizacijos būdu, siekiant sumažinti jų imunogeniškumą, galima naudoti kaip matricas. Išskleistos matricos konservuoti baltymai yra tolesnio sėklų sukibimo pagrindas. Yra tokie metodai, skirtos pašalinti korinio ryšio elementus (atsellyulyarizatsii): šaldymo, gydymas tripsino / EDTA, ploviklis - natrio dodecilsulfatas, natrio deoksikolatom, Triton X-100, MEGA 10, TnBR CHAPS, Tween 20, taip pat kelių pakopų fermentinis gydymo metodai. Tai pašalina ląstelių membranas, nukleino rūgščių, lipidų, citoplazminės struktūras ir tirpių matricos molekulių su išsaugojimo kolageno ir elastino. Tačiau idealus metodas dar nebuvo nustatytas. Po 24 valandų gydymo vien tik dodecilo natrio sulfatas (0,03-1%) arba natrio deoksikolatas (0,5-2%) buvo visiškai pašalintas.

Histologinis ištyrimas nuotolinio detsellyulyarizovannyh bioklapanov (transplantato ir svetimo) eksperimentiniams gyvūnams (šunims ir kiaulėms) parodė, kad yra dalinė įaugimo ir endothelialization miofibroblastai gavėjui per bazę, jokių kalcifikacija požymiai. Pastebėta vidutiniškai ryškios uždegiminės infiltracijos. Tačiau klinikinių klinikinių tyrimų, kuriuose buvo klijuota "SynerGraftTM" vožtuvas, metu atsirado ankstyvas nepakankamumas. Matrica buvo nustatomas bioprosthesis išreikštas uždegiminę reakciją, kuris iš pat pradžių nespecifinis ir buvo pridėta limfocitinės reakcijos. Per vienerius metus atsirado bioproceso disfunkcija ir degeneracija. Ląstelių kolonizacija nenustatyta, tačiau buvo aptikta vožtuvų kalcifikacija ir išankstinės implantavimo ląstelių šiukšlės.

Endotelio ląstelės pasėjamos neląstelinė matrica ir išauginti in vitro ir in vivo sąlygas suformuotų vientisą sluoksnį ant atvartų paviršiaus, ir intersticinių ląstelių Inokuliuotų gimtoji struktūra parodė, jų gebėjimą už diferenciaciją. Tačiau, norint pasiekti pageidaujamą fiziologinį lygį kolonizavimo matricos ląstelių nepavyko dinaminio sąlygomis bioreaktoriuje, ir implantuojami dirbtiniai širdies vožtuvai buvo pridėta pakankamai greitai (trijų mėnesių) sustorėjimas dėl pagreitinto ląstelių proliferaciją ir išorės matriksą formavimas. Tokiu būdu, šiame etape donoro neląstelinės matricų panaudojimas jų kolonijos ląstelių turi neišspręstų problemų, įskaitant 8 imunologinės ir infekcinio pobūdžio iš darbo detsellyulyarizovannymi bioprostheses toliau skaičių.

Reikėtų pažymėti, kad kolagenas taip pat yra viena iš potencialių biologinių medžiagų biologinio skilimo medžiagų matricoms gaminti. Jis gali būti naudojamas putplasčio, gelio ar plokščių, kempinių formos ir užpildo pagrindu. Tačiau kolageno naudojimas yra susijęs su daugeliu technologinių sunkumų. Ypač sunku gauti iš paciento. Todėl šiuo metu dauguma kolageno matricų yra gyvūninės kilmės. Laikinas gyvūninės kilmės kolageno biologinis skaidymas gali padidinti zoonozės infekcijos riziką, sukelti imunologinius ir uždegiminius atsakus.

Fibrinas yra dar viena biologinė medžiaga, kontroliuojama biologinio skaidymo charakteristika. Kadangi fibrino geliai gali būti pagaminti iš paciento kraujo vėlesniam autologinės matricos gamybai, tokios struktūros implantacija nesukels jo toksiško skilimo ir uždegimo atsako. Tačiau fibrinas turi tokių trūkumų, kaip sklaidos ir išplovimo į aplinką ir mažos mechaninės savybės.

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

Dirbtinės širdies vožtuvai, pagaminti iš sintetinių medžiagų

Dirbtinės širdies vožtuvai taip pat pagaminti iš sintetinių medžiagų. Keletas bandymų gamyba vožtuvai matricas buvo remiantis polyglactin naudojimo, poliglikolio rūgšties (PGA), polilakticheskoy rūgštis (PLA), iš PGA ir PLA (PLGA) ir polyhydroxyalkanoates (PHA) kopolimeras. Labai porėtą sintetinę medžiagą galima gauti iš austinių arba neaustinių pluoštų ir naudojant druskų išplovimo technologijas. Perspektyvus kompozitą (PGA / R4NV) už matricų, gautų iš neaustinės vyriais poliglikolio rūgšties (PGA) gamyboje, padengtas poli-4-hidroksibutirato (R4NV). Iš šios medžiagos pagaminti dirbtiniai širdies vožtuvai sterilizuojami etileno oksidu. Tačiau, didelė pradinė standumas ir storis iš šių polimerų kilpos, jų greitas ir nekontroliuojamas degradacija lydi su citotoksiniais produktų rūgščiojo išleidimo, reikalauja tolesnį tyrimą ir ieškoti kitų medžiagų.

Naudojant autologines audinių kultūrų plokštės Miofibroblastai Cultured ant rėmo, kad sudarytų paramos matricą stimuliuoja šių ląstelių gamybą davė pavyzdžius su aktyviomis vožtuvai gyvybingų ląstelių apsuptas išorės matriksą. Tačiau šių sklendžių audinių mechaninės savybės nėra pakankamos jų implantavimui.

Nepamirškite, kad sukurto vožtuvo audinio proliferacija ir regeneracija bus pasiekta tik sujungiant ląsteles ir matricą. Ląstelių geno ekspresiją ir audinių formavimąsi galima reguliuoti arba stimuliuoti augimo faktorių, citokinų ar hormonų, mitogeninių veiksnių ar sukibimo veiksnių įterpimu į matricas ir matricas. Nagrinėjama galimybė įvesti šiuos reguliatorius į matricos biomaterialus. Apskritai, trūksta tiriamų audinių vožtuvų formavimo proceso reguliavimo pagal biocheminius stimulus.

Neląstelinė kiaulių Heterologinis Matrica P plaučių bioprosthesis apima detsellyulyarizovannoy audinio apdorotą specialiu patentuota AutoTissue GmbH procedūros, susidedančios iš antibiotikų, natrio deoksicholato ir alkoholio Ši perdirbimo metodas Tarptautinės standartizacijos organizacijos, pašalina visas gyvas ląsteles ir postkletochnye struktūrą (fibroblastų, endotelio ląstelių, bakterijų, virusų, grybų, mikoplazmos) išlaiko architektūra ekstraląstelinės matricos, ji sumažina DNR ir RNR lygį audinyje, kad minim mA, kuris sumažina iki nulio perdavimo kiaulių endogeninis retrovirusas (perv) asmens tikimybę. Matrica P bioprosthesis sudaro tik iš kolageno ir elastino su konservuoti struktūrinė integracija.

Per eksperimentus avių buvo įregistruota minimalų reakcijos iš aplinkinių audinių 11 mėnesių po implantacijos P, Matrix bioprosthesis su gerų savo išlikimo, kuri, visų pirma, pasireiškia jos blizga vidinio paviršiaus endokardo. Tiesą sakant, nebuvo uždegimo reakcijų, sulenktų ir sutrumpėjo vožtuvų sklendės. Taip pat buvo užfiksuotas "Matrix P" bioproteszės audinio mažas kalcio kiekis, skirtumas buvo statistiškai reikšmingas, palyginti su apdorotu glutaraldehidu.

Matrica P dirbtiniai širdies vožtuvai yra pritaikyta individualiems paciento sąlygas keliems mėnesiams po implantacijos. Nagrinėjamu ataskaitinio laikotarpio pabaigoje tyrimo metu sveika tarpląsteliniame ir išleidimo endotelio. Ksenoimplantai matrica R implantuotas po žingsnio Ross atlikto 50 pacientams, sergantiems įgimtų defektų per laikotarpį nuo 2002 iki 2004, parodė puikias eksploatacines savybes ir mažesnes transvalvular slėgio gradientai, palyginti su šaltyje ir detsellyulyarizovannymi transplantato SynerGraftMT ir berėmio bioprostheses gydomiems gliutaraldehidu. Matrica P Dirbtinis širdies vožtuvai plaučių arterijos vožtuvo pakeitimo rekonstrukcijos širdies dešiniojo skilvelio infundibulinės chirurginių operacijų metu įgimta metu ir įgytos defektai ir plaučių vožtuvo protezo tuo Ross procedūrą, yra keturių dydžių (vidinis skersmuo): Kūdikiai (15-17 mm ) vaikai (18-21 mm), tarpinis (22-24 mm) ir suaugusiųjų (25-28 mm).

Pažanga vožtuvų dėl audinių inžinerijos pagrindu plėtra priklausys nuo vožtuvo ląstelių biologija (įskaitant genų ekspresijos klausimus ir reglamentas), dėl Embryogenic tyrimo ir amžiaus vožtuvai (įskaitant angiogeninių ir neurogeninis veiksnių), tikslių žinių apie kiekvieno vožtuvo biomechanikos sėkmės, nustatyti pakanka sprendžiant ląsteles optimalių matricų kūrimas. Toliau plėtoti daugiau pažangiosios audinių vožtuvų, pilnas suprantant mechaninių ir struktūrines ypatybes Gimtąja vožtuvu ir paskatos (biologinių arba mechaninis) santykių atkurti šias charakteristikas in vitro.

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