Srčne zaklopke

Prej je veljalo prepričanje, da so vse srčne zaklopke preproste strukture, katerih prispevek k enosmernemu pretoku krvi je zgolj pasivno gibanje kot odziv na uporabljeni gradient tlaka. To razumevanje "pasivnih struktur" je privedlo do razvoja "pasivnih" mehanskih in bioloških nadomestkov zaklopk.

Zdaj postaja očitno, da imajo srčne zaklopke bolj kompleksno strukturo in delovanje. Zato ustvarjanje "aktivnega" nadomestka srčne zaklopke predvideva znatno podobnost v strukturi in delovanju z naravno srčno zaklopko, kar je v prihodnosti zaradi razvoja tkivnega inženirstva precej realno.

Srčne zaklopke se razvijejo iz embrionalnih zametkov mezenhimskega tkiva med nastankom endokarda. Med morfogenezo se oblikujeta atrioventrikularni kanal (trikuspidalna in mitralna srčna zaklopka) in ventrikularni iztočni trakt (aortna in pljučna srčna zaklopka).

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

Kako so urejeni srčni ventili?

Študijo prekrvavitve zaklopk je začel N. Luschka (1852), ki je v srčne žile vbrizgal kontrastno maso. Odkril je številne krvne žile v zaklopkah atrioventrikularnih in semilunarni zaklopk aorte in pljučne arterije. Hkrati je več priročnikov o patološki anatomiji in histologiji vsebovalo navedbe, da nespremenjene človeške srčne zaklopke ne vsebujejo krvnih žil, slednje pa se v zaklopkah pojavijo le pri različnih patoloških procesih - aterosklerozi in endokarditisu različnih etiologij. Informacije o odsotnosti krvnih žil so temeljile predvsem na histoloških študijah. Domnevali so, da v odsotnosti krvnih žil v prostem delu zaklopk njihova prehrana poteka s filtriranjem tekočine iz krvne plazme, ki izpira zaklopke. Opazili so prodiranje nekaj žil skupaj z vlakni progasto-progastega mišičnega tkiva v baze zaklopk in tetivne akorde.

Vendar pa so pri injiciranju različnih barvil v srčne žile (indijsko črnilo v želatini, bizmut v želatini, vodna suspenzija črnega indijskega črnila, raztopine karmina ali tripanskega modrega) ugotovili, da žile prodrejo v atrioventrikularne srčne zaklopke, aortne zaklopke in pljučno arterijo skupaj s tkivom srčne mišice, le malo pred prostim robom zaklopke.

V rahlem vlaknastem vezivnem tkivu atrioventrikularnih zaklopk so bile najdene posamezne glavne žile, ki so anastomozirane z žilami v sosednjih območjih progasto-progastega mišičnega tkiva srčne mišice.

Največje število krvnih žil se je nahajalo na dnu, v prostem delu teh zaklopk pa sorazmerno manjše.

Po podatkih K. I. Kulchitskyja in sodelavcev (1990) ima mitralna zaklopka večji premer arterijskih in venskih žil. Na dnu zaklopk te zaklopke se nahajajo predvsem glavne žile z ozkozančno mrežo kapilar, ki prodirajo v bazalni del zaklopke in zasedajo 10 % njene površine. V trikuspidalni zaklopki imajo arterijske žile manjši premer kot v mitralni zaklopki. V zaklopkah te zaklopke so predvsem razpršene žile in sorazmerno široke zanke krvnih kapilar. V mitralni zaklopki je sprednja zaklopka intenzivneje oskrbljena s krvjo, v trikuspidalni zaklopki pa sprednja in zadnja zaklopka, ki opravljata glavno zapiralno funkcijo. Razmerje med premeri arterijskih in venskih žil v atrioventrikularnih zaklopkah srca odraslih ljudi je 1:1,5. Kapilarne zanke so poligonalne in se nahajajo pravokotno na dno zaklopk. Žile tvorijo ravninsko mrežo, ki se nahaja pod endotelijem na atrijski strani. Krvne žile se nahajajo tudi v tetivnih tetivah, kamor prodirajo iz papilarnih mišic desnega in levega prekata na razdalji do 30 % dolžine tetivnih tetiv. Številne krvne žile tvorijo lokaste zanke na dnu tetivnih tetiv. Srčne zaklopke aorte in pljučnega debla se po prekrvavitvi bistveno razlikujejo od atrioventrikularnih zaklopk. Glavne žile relativno manjšega premera se približujejo dnu pollunarnih zaklopk aorte in pljučnega debla. Kratke veje teh žil se končajo s kapilarnimi zankami nepravilne ovalne in poligonalne oblike. Nahajajo se predvsem v bližini dna pollunarnih zaklopk. Venske žile na dnu aortne in pljučne zaklopke imajo prav tako manjši premer kot tiste na dnu atrioventrikularnih zaklopk. Razmerje med premeri arterijskih in venskih žil v aortni in pljučni zaklopki srca odraslih ljudi je 1:1,4. Kratke stranske veje se raztezajo iz večjih žil in se končajo s kapilarnimi zankami nepravilnih ovalnih in poligonalnih oblik.

S starostjo pride do grobosti vezivnih tkivnih vlaken, tako kolagenih kot elastičnih, ter zmanjšanja količine ohlapnega vlaknatega neoblikovanega vezivnega tkiva, razvije se skleroza tkiva atrioventrikularnih zaklopk in semilunarne zaklopke aortne in pljučne arterije. Dolžina progasto-progastih mišičnih vlaken v zaklopkah se zmanjša, posledično pa se zmanjša tudi njihova količina in število krvnih žil, ki prodirajo v srčne zaklopke. Zaradi teh sprememb srčne zaklopke izgubijo svoje elastične in prožne lastnosti, kar vpliva na mehanizem zapiranja zaklopk in hemodinamiko.

Srčne zaklopke imajo mreže limfnih kapilar in majhno število limfnih žil, opremljenih z zaklopkami. Limfne kapilare konic imajo značilen videz: njihov lumen je zelo neenakomeren, ista kapilara ima na različnih območjih različen premer. Na mestih, kjer se združi več kapilar, nastanejo razširitve - vrzeli različnih oblik. Zanke mrež so pogosto nepravilne poligonalne, redkeje ovalne ali okrogle. Pogosto zanke limfnih mrež niso zaprte in limfne kapilare se slepo končajo. Zanke limfnih kapilar so najpogosteje usmerjene v smeri od prostega roba konice do njene baze. V nekaterih primerih so v konicah atrioventrikularne zaklopke našli dvoslojno mrežo limfnih kapilar.

Endokardni živčni pletež se nahaja v različnih plasteh, predvsem pod endotelijem. Na prostem robu zaklopk se živčna vlakna nahajajo predvsem radialno in se povezujejo z vlakni tetivnih hord. Bližje dnu zaklopk se tvori živčni pletež z veliko mrežasto mrežo, ki se povezuje s pletežem, ki se nahaja okoli vlaknatih obročev. Na pollunarnih zaklopkah je endokardialna živčna mreža bolj redka. Na mestu pritrditve zaklopk postane gosta in večplastna.

Celična struktura srčnih zaklopk

Valvularne intersticijske celice, odgovorne za vzdrževanje strukture zaklopke, so podolgovate oblike s številnimi finimi izrastki, ki se raztezajo po celotni matriksi zaklopke. Obstajata dve populaciji valvularnih intersticijskih celic, ki se razlikujeta po morfologiji in strukturi; ena ima kontraktilne lastnosti in je značilna po prisotnosti kontraktilnih fibril, druga pa ima sekretorne lastnosti in ima dobro razvit endoplazemski retikulum in Golgijev aparat. Kontraktilna funkcija se upira hemodinamskemu pritisku in jo dodatno podpira proizvodnja srčnih in skeletnih kontraktilnih beljakovin, ki vključujejo težke verige alfa- in beta-miozina ter različne izooblike troponina. Kontrakcija lističa srčne zaklopke je bila dokazana kot odziv na številne vazoaktivne snovi, kar kaže na usklajen biološki dražljaj za uspešno delovanje zaklopke.

Intersticijske celice so tudi bistvene komponente sistema za popravilo struktur, kot so srčne zaklopke. Nenehno gibanje lističev zaklopke in s tem povezana deformacija vezivnega tkiva povzročata poškodbe, na katere se odzivajo intersticijske celice zaklopke, da ohranijo celovitost zaklopke. Zdi se, da je proces popravila ključnega pomena za normalno delovanje zaklopke, odsotnost teh celic v trenutnih modelih umetnih zaklopk pa verjetno prispeva k strukturnim poškodbam bioprotez.

Pomembno področje raziskav intersticijskih celic je preučevanje interakcij med njimi in okoliškim matriksom, ki jih posredujejo fokalne adhezijske molekule. Fokalne adhezije so specializirana mesta interakcije med celicami in matriksom, ki povezujejo celični citoskelet z matriksnimi beljakovinami prek integrinov. Delujejo tudi kot mesta za prenos signalov, ki posredujejo mehanske informacije iz zunajceličnega matriksa, kar lahko izzove odzive, vključno z, vendar ne omejeno na, celično adhezijo, migracijo, rastjo in diferenciacijo. Razumevanje celične biologije intersticijskih celic zaklopk je ključnega pomena za razjasnitev mehanizmov, s katerimi te celice interagirajo med seboj in z okoljem, tako da je mogoče to funkcijo ponoviti v umetnih zaklopkah.

V povezavi z razvojem obetavne smeri tkivnega inženiringa srčnih zaklopk se izvajajo študije intersticijskih celic z uporabo širokega nabora tehnik. Prisotnost celičnega citoskeleta se potrdi z barvanjem za vimentin, desmin, troponin, alfa-aktin in miozin gladkih mišic, težke verige alfa- in beta-miozina, lahke verige-2 srčnega miozina, alfa- in beta-tubulin. Kontraktilnost celic se potrdi s pozitivnim odzivom na adrenalin, angiotenzin II, bradikinin, karbahol, kalijev klorid, endotelij I. Celične medsebojne odnose določajo interakcije funkcionalnih vrzeli in preverjajo z mikroinjekcijami karboksifluoresceina. Izločanje matriksa se vzpostavi z barvanjem za prolil-4-hidroksilazo/kolagen tipa II, fibronektin, hondroitin sulfat, laminin. Inervacija se vzpostavi s tesno lokacijo motoričnih živčnih končičev, kar se odraža v aktivnosti nevropeptida Y tirozin hidroksilaze, acetilholinesteraze, vazoaktivnega črevesnega polipeptida, snovi P in peptida, povezanega z genom paprike. Mitogene dejavnike ocenjujemo z rastnim faktorjem, pridobljenim iz trombocitov, bazičnim rastnim faktorjem fibroblastov in serotoninom (5-HT). Za preučene intersticijske celične fibroblaste je značilna nepopolna bazalna membrana, dolgi, tanki citoplazemski izrastki, tesna povezava z matriksom, dobro razvit neenakomeren endoplazemski retikulum in Golgijev aparat, bogatost mikrofilamentov ter tvorba adhezivnih vezi.

Valvularne endokardialne celice tvorijo funkcionalno atrombogeno ovojnico okoli vsake srčne zaklopke, podobno kot vaskularni endotelij. Široko uporabljena metoda zamenjave zaklopke odpravlja zaščitno funkcijo endokarda, kar lahko povzroči odlaganje trombocitov in fibrina na umetnih zaklopkah, razvoj bakterijske okužbe in kalcifikacijo tkiva. Druga verjetna funkcija teh celic je regulacija spodaj ležečih valvularnih intersticijskih celic, podobno kot endotelij uravnava gladkih mišičnih celic. Med endotelijem in sosednjimi celicami obstajajo kompleksne interakcije, ki jih delno posredujejo topni faktorji, ki jih izločajo endotelijske celice. Te celice tvorijo ogromno površino, prekrito z mikroizboklinami na luminalni strani, kar povečuje izpostavljenost in možno interakcijo s presnovnimi snovmi v krvi v krvnem obtoku.

Endotelij pogosto kaže morfološke in funkcionalne razlike, ki jih povzročajo strižne napetosti na steni žile zaradi pretoka krvi, kar velja tudi za endokardialne celice zaklopk, ki imajo bodisi podolgovato bodisi poligonalno obliko. Spremembe v celični strukturi se lahko pojavijo zaradi delovanja lokalne hemodinamike na komponente celičnega citoskeleta ali zaradi sekundarnih učinkov, ki jih povzročajo spremembe v osnovnem zunajceličnem matriksu. Na ultrastrukturni ravni imajo endokardialne celice zaklopk medcelične povezave, plazemske vezikle, hrapav endoplazemski retikulum in Golgijev aparat. Čeprav proizvajajo von Willebrandov faktor tako in vivo kot in vitro, jim manjkajo Weibel-Paladova telesca (specifične granule, ki vsebujejo von Willebrandov faktor), ki so organeli, značilni za žilni endotelij. Za endokardialne celice zaklopk so značilni močni stiki, interakcije funkcionalnih rež in prekrivajoče se marginalne gube.

Endokardne celice ohranjajo svojo presnovno aktivnost tudi in vitro: proizvajajo von Willebrandov faktor, prostaciklin, sintazo dušikovega oksida, kažejo aktivnost angiotenzinske konvertaze in intenzivno izločajo adhezijske molekule ICAM-1 in ELAM-1, ki so pomembne za vezavo mononuklearnih celic med razvojem imunskega odziva. Vse te označevalce je treba upoštevati pri gojenju idealne celične kulture za ustvarjanje umetne zaklopke z uporabo tkivnega inženirstva, vendar lahko imunostimulacijski potencial samih endokardialnih celic zaklopk omeji njihovo uporabo.

Zunanji matriks srčnih zaklopk je sestavljen iz vlaknastih kolagenskih in elastinskih makromolekul, proteoglikanov in glikoproteinov. Kolagen predstavlja 60 % suhe teže zaklopke, elastin 10 % in proteoglikani 20 %. Kolagen zagotavlja glavno mehansko stabilnost zaklopke in jo predstavljajo kolageni tipov I (74 %), II (24 %) in V (2 %). Snopove kolagenskih niti obdaja elastinska ovojnica, ki posreduje pri interakcijah med njimi. Stranske verige glikozaminoglikanskih molekul proteoglikanov ponavadi tvorijo gelu podobno snov, v kateri druge molekule matriksa medsebojno delujejo in tvorijo trajne vezi, druge komponente pa se odlagajo. Glikozaminoglikani človeških srčnih zaklopk so sestavljeni predvsem iz hialuronske kisline, v manjši meri iz dermatan sulfata, hondroitin-4-sulfata in hondroitin-6-sulfata, z minimalno količino heparan sulfata. Preoblikovanje in obnovo matričnega tkiva uravnavajo matrične metaloproteinaze (MMP) in njihovi tkivni inhibitorji (TI). Te molekule so vključene tudi v širši spekter fizioloških in patoloških procesov. Nekatere metaloproteinaze, vključno z intersticijskimi kolagenazami (MMP-1, MMP-13) in želatinazami (MMP-2, MMP-9) ter njihovimi tkivnimi inhibitorji (TI-1, TI-2, TI-3), se nahajajo v vseh srčnih zaklopkah. Prekomerna proizvodnja metaloproteinaz je značilna za patološka stanja srčne zaklopke.

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

Srčne zaklopke in njihova morfološka struktura

Srčne zaklopke sestavljajo tri morfološko različne in funkcionalno pomembne plasti matrice lističev: vlaknaste, gobaste in ventrikularne.

Vlaknasta plast tvori ogrodje, odporno proti obremenitvi, za zaklopko, sestavljeno iz plasti kolagenskih vlaken. Ta vlakna so radialno razporejena v gube, da omogočajo raztezanje arterijskih zaklopk pri zapiranju. Vlaknasta plast leži blizu izhodne zunanje površine teh zaklopk. Vlaknasta plast atrioventrikularnih zaklopk služi kot nadaljevanje kolagenskih snopov tendiničnih chordae (chordae tendineae). Nahaja se med gobasto (vhodno) in ventrikularno (izhodno) plastjo.

Med vlaknato in ventrikularno plastjo je gobasta plast (spongiosa). Gobasta plast je sestavljena iz slabo organiziranega vezivnega tkiva v viskoznem mediju. Prevladujoče komponente matriksa te plasti so proteoglikani z naključno usmerjenim kolagenom in tanke plasti elastina. Stranske verige molekul proteoglikanov nosijo močan negativni naboj, kar vpliva na njihovo visoko sposobnost vezave vode in tvorbe poroznega matričnega gela. Gobasta plast matriksa zmanjšuje mehanske obremenitve v listih srčne zaklopke in ohranja njihovo prožnost.

Ventrikularna plast je veliko tanjša od drugih in je bogata z elastičnimi vlakni, ki tkivu omogočajo, da se upira nenehnim deformacijam. Elastin ima gobasto strukturo, ki obdaja in povezuje kolagena vlakna ter jih ohranja v nevtralnem prepognjenem stanju. Vhodna plast zaklopke (ventrikularna - za arterijske zaklopke in gobasta - za atrioventrikularne) vsebuje več elastina kot izhodna, kar zagotavlja mehčanje hidravličnega udarca ob zapiranju zaklopk. To razmerje med kolagenom in elastinom omogoča, da se zaklopke raztegnejo do 40 % brez stabilne deformacije. Ko so izpostavljene majhni obremenitvi, so kolagene strukture te plasti usmerjene v smeri obremenitve, njena odpornost na nadaljnjo rast obremenitve pa se poveča.

Zato je ideja o srčnih zaklopkah kot preprostih endokardialnih podvojitvah ne le poenostavljena, ampak tudi v bistvu napačna. Srčne zaklopke so kompleksni organi, ki vključujejo progasto mišična vlakna, krvne in limfne žile ter živčne elemente. Tako po svoji strukturi kot po delovanju so zaklopke sestavni del vseh srčnih struktur. Analiza normalnega delovanja zaklopk mora upoštevati njihovo celično organizacijo, pa tudi interakcijo celic med seboj in z matrico. Znanje, pridobljeno s takimi študijami, je vodilno pri načrtovanju in razvoju zaklopnih protez z uporabo tkivnega inženirstva.