Umetni srčni ventili

Sodobni, ki so na voljo za klinično uporabo, biološki umetni srčni ventili, razen pljučnega avtografta, so nestabilne strukture, ki nimajo možnosti za rast in popravila tkiva. To nalaga znatne omejitve pri njihovi uporabi, zlasti pri otrocih pri odpravljanju valvularne patologije. V zadnjih 15 letih je nastalo tkivno inženirstvo. Namen te znanstvene smeri je ustvarjanje v umetnih razmerah takšnih struktur, kot so umetni srčni ventili s trombo odporno površino in živahno interstitium.

[1], [2],

Kako se razvijejo umetni srčni ventili?

Znanstveni koncept tkivnega inženirstva temelji na ideji reševanja in gojenje žive celice (fibroblaste, matične celice, itd) sintetične ali naravne absorbira skeleta (matrica), ki predstavljajo tridimenzionalno strukturo ventil, kot tudi z uporabo signalov, ki uravnavajo izražanje genov, organizacije in produktivnosti presajeni celice v obdobju nastanka zunajceličnega matriksa.

Takšni umetni srčni ventili so povezani s pacientovim tkivom za končno obnovo in nadaljnje vzdrževanje njegove strukture in delovanja. Tako na začetnem matriksu kot rezultat delovanja celic (fibroblasti in myofibroblasts al.), Novo okvirja kollagenoelastinovy ali natančneje, ekstracelularnega matriksa. Zato bi morali optimalni umetni srčni ventili, ki jih ustvari metoda tkivnega inženirstva, s svojo anatomsko strukturo in funkcijo pristopiti k nativni, imeti biomehansko prilagodljivost, sposobnost popravljanja in rasti.

Tkivni inženiring razvija umetne srčne zaklopke z različnimi viri pridobivanja celic. Tako se lahko uporabijo ksenogenske ali alogenske celice, čeprav so prve povezane s tveganjem zoonotskega prevoza na ljudi. Za zmanjšanje antigenosti in preprečevanje reakcij zavrnitve organizma je mogoče z gensko spremembo alogenih celic. Tkivni inženiring zahteva zanesljiv vir proizvodnje celic. Ta vir je avtogenih celic, vzetih neposredno od pacienta in med reimplantacijo ne dajejo imunskih odzivov. Učinkoviti umetni srčni ventili se proizvajajo na osnovi avtolognih celic, pridobljenih iz krvnih žil (arterij in žil). Za pridobitev čistih celičnih kultur je bila razvita metoda, ki temelji na uporabi fluorescenčnega aktiviranega celičnega sortiranja (FACS). Prebivalstvo mešane celice, pridobljene iz krvne žile, je označeno z acetiliranim markerjem z nizko gostoto, ki se selektivno absorbira na površini endotelijocitov. Enkratne celice se lahko kasneje zlahka ločijo od večine celic, pridobljenih iz posod, ki jih bo predstavila zmes gladkih mišičnih celic, miofibroblastov in fibroblastov. Vir celic, bodisi arterija ali vena, vpliva na lastnosti končne strukture. Tako so umetni srčni ventili z matriko, posejani z venskimi celicami, glede na stopnjo nastajanja kolagena in mehansko stabilnost presegali strukture, ki so jih posejale arterijske celice. Zdi se, da je izbira perifernih ven verjetno prikladna za nabiranje celic.

Myofibroblaste lahko vzamete tudi iz karotidnih arterij. Hkrati se celice, pridobljene iz plovil, bistveno razlikujejo od njihovih naravnih intersticijskih celic. Avtologne celice iz popkovnične vrvi se lahko uporabijo kot alternativni vir celic.

Umetni srčni ventili na osnovi izvornih celic

Razvoj tkivnega inženirstva v zadnjih letih je olajšal raziskave izvornih celic. Uporaba izvornih celic rdečega kostnega mozga ima svoje prednosti. Zlasti enostavnost vzorčenja biomaterij in in vitro gojenja z naknadnim diferenciacijo v različne vrste mesenchymalnih celic omogoča, da se izognemo uporabi nedotaknjenih posod. Matične celice so pluripotentni viri celičnih klicev, imajo edinstvene imunološke značilnosti, ki prispevajo k njihovi stabilnosti v alogenih pogojih.

Matične celice človeškega kostnega mozga se pridobivajo z napačno punkcijo ali prebadanjem ilnega grebena. Izolirajo jih od 10-15 ml aspira prsnice, ločeni od drugih celic in gojenih. Ko dosežemo želeno število celic (navadno v 21-28 dni) povzroči njihovo Setev (kolonizacija) v matriksu gojimo v mediju v statičnem položaju (7 dni v vlažnem inkubatorju pri 37 ° C v prisotnosti 5% CO2). Nato spodbujanje rasti celic skozi kupturalnuyu okolja (biološka dražljaji) ali fiziološkimi pogoji z ustvarjanjem rasti tkiva med njegovo deformacijo v izometričnih aparatu razmnoževanje pulzne - bioreaktorju (mehanski dražljaji). Fibroblasti so občutljivi na mehanske dražljaje, ki spodbujajo njihovo rast in funkcionalno aktivnost. Pulzivni tok povzroči povečanje radialnih in obodnih deformacij, kar vodi do orientacije (raztezanja) naseljenih celic v smeri delovanja takšnih napetosti. To pa vodi k oblikovanju usmerjenih struktur vlaken lopatic. Stalni tok povzroči samo tangencialne napetosti na stenah. Pulzivni tok pozitivno vpliva na celično morfologijo, proliferacijo in sestavo ekstracelularne matrice. Narava pretoka hranilnega medija, fizikalno-kemijski pogoji (pH, pO2 in pCO2) v bioreaktorju prav tako pomembno vplivajo na proizvodnjo kolagena. Torej, laminarni tokovi, ciklični vrtinčni tokovi povečujejo proizvodnjo kolagena, kar vodi do izboljšanih mehanskih lastnosti.

Drug pristop pri rastočih tkivnih strukturah je ustvarjanje embrionalnih pogojev v bioreaktorju namesto modeliranja fizioloških pogojev človeškega telesa. Grown matičnih celic tkivne bioklapany imajo vrtljive lopute in plastičnih funkcionalno izklop pri visokem tlaku in pretoku, ki presegajo fiziološki nivo. Histološke in histokemijske študije letaki teh struktur so pokazali prisotnost v njih aktivno vodenje procesov biorazgradljivosti matrice in ga nadomešča izvedljive tkiva. Tkanina tipa laminat razporejen na značilnosti proteini zunajcelične matrice, take lastnosti nativnega tkiva zaradi prisotnosti tipa kolagen I in III, in glikozaminoglikanov. Vendar tipična troslojna struktura ventilov - ventrikularnih, gobastih in vlaknatih plasti - ni bila pridobljena. Odkriti v vseh fragmentih, so ASMA-pozitivne celice, ki izražajo vimentin, imele značilnosti, podobne lastnostim miofibroblastov. Elektronska mikroskopija celičnih elementov je bilo ugotovljeno, da so značilne za življenje sposobnih, aktivnih izločevalnih myofibroblasts (aktin / miozin filament preje elastinom) in na površini tkanine - endotelijskih celic.

Na ventilih so našli ovratnice I, III, ASMA in vimentin. Mehanske lastnosti kril tkivnih in nativnih struktur so bile primerljive. Tkivni umetni srčni ventili so pokazali odlične rezultate za 20 tednov in so podobni naravnim anatomskim strukturam za njihovo mikrostrukturo, biokemijski profil in tvorbo beljakovinske matrice.

Vsi umetni srčni ventili, pridobljeni z metodo tkivnega inženirstva, so živali vnesli v pljučni položaj, ker njihove mehanske lastnosti ne ustrezajo obremenitvam v položaju aorte. Tkivni ventili, ki so implantirani iz živali, so strukturno podobni v svoji strukturi z izvornimi, kar kaže na njihov nadaljnji razvoj in preurejanje pod pogoji in vivo. Ali se bo proces tkivnega prestrukturiranja in zorenja nadaljeval v fizioloških pogojih po implantaciji umetnih srčnih ventilov, kot so opaženi pri poskusih na živalih, bodo pokazale nadaljnje študije.

Idealni umetne srčne zaklopke mora imeti poroznost ne manj kot 90%, ker je to bistvenega pomena za celično rast, dostavi hranil in odstranjevanju celičnega metabolizma izdelkov, poleg biokompatibilnosti in biorazgradljivosti je treba umetne srčne zaklopke imajo kemično ugodna za inokulacijo celično površino in v skladu mehansko lastnosti naravnega tkiva. Stopnjo biorazgradnje matrice je treba nadzorovati in sorazmerno z ravnijo tvorbe novega tkiva, da se zagotovi določen čas zagotavljanja mehanske stabilnosti.

Trenutno se razvijajo sintetične in biološke matrike. Najpogostejši biološki materiali za izdelavo matrik so donatorske anatomske strukture, kolagen in fibrin. Polimerni umetni srčni ventili so zasnovani na biološko razgradnjo po implantaciji takoj, ko vsadijo celice začnejo proizvajati in organizirati lastno mrežo zunajceličnega matriksa. Formiranje novega matriksnega tkiva lahko reguliramo ali spodbudimo z rastnimi faktorji, citokini ali hormoni.

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

Donatorski umetni srčni ventili

Darovalcu umetne srčne zaklopke, pridobljeni iz živali ali ljudi in brez celičnih antigenov detsellyulyarizatsii da zmanjšajo imunogenost, se lahko uporablja kot matrike. Ohranjeni proteini ekstracelularnega matriksa so osnova za naknadno adhezijo celic, ki so posejane. Obstajajo naslednje metode za odstranjevanje celičnih elementov (atsellyulyarizatsii): zamrzovanjem, zdravljenje tripsin / EDTA, detergent - natrijev dodecil sulfat, natrijev deoksikolatom, Triton X-100, MEGA 10, TnBR CHAPS, Tween 20, kot tudi metode zdravljenja encimska več korakih. To odstrani celične membrane, nukleinskih kislin, lipidov citoplazme strukture in topne matrične molekule z ohranjanjem kolagena in elastina. Vendar idealna metoda še ni bila najdena. Samo dodecil natrijev sulfat (0,03-1%) ali natrijev deoksikolat (0,5-2%) je povzročil popolno odstranitev celic po 24-urnem zdravljenju.

Histološka preiskava daljinsko detsellyulyarizovannyh bioklapanov (alogenskega in ksenogenskega) pri poskusnih živalih (psi in prašiči) so pokazale, da je delni vraščanje in endothelialization myofibroblasts prejemnika na podlago, brez znakov kalcifikaciji. Umerjena izrazita vnetna infiltracija. Vendar pa se je v kliničnih preskušanjih decelulariziranega ventila SynerGraftTM razvila zgodnja insuficienca. Matrika določimo bioprosthesis izražene vnetne reakcije, ki je bil prvotno nespecifična in je skupaj s limfocitni odziv. Disfunkcija in degeneracija bioprosteze se je razvila v enem letu. V celicah niso opazili kolonizacije celic, vendar so odkrili kalcifikacijo ventilov in preimplantacijske celice.

Endotelnih celic semeni oslovskemu matriksa in kultivirali v in vitro in in vivo pogojih tvorijo koherentno plast na površini loput in intersticijski celice Nacepljene nativne strukture pokazali sposobnost za razlikovanje. Kljub temu, da dosežemo želeno fiziološko stopnjo kolonizacije v matriko celic neuspelih v dinamičnih pogojih bioreaktor, in vsadi umetne srčne zaklopke so spremljali dovolj hitro (tri mesece), zadebelitev zaradi pospešeno celično proliferacijo in zunajcelični oblikovanju matrike. Tako je v tej fazi je uporaba donator aceličnirni matrik za njihovo kolonizacijo celic število nerešenih problemov, vključno z 8 imunološke in nalezljive narave dela detsellyulyarizovannymi bioprostheses na nadaljuje.

Treba je opozoriti, da je kolagen tudi eden od potencialnih bioloških materialov za izdelavo matric, sposobnih biorazgradnje. Uporablja se lahko v obliki pene, gela ali plošč, gobic in kot predoblik na osnovi vlaken. Vendar pa je uporaba kolagena povezana s številnimi tehnološkimi težavami. Zlasti je težko dobiti od pacienta. Zato je trenutno večina kolagenskih matrik živalskega izvora. Odložena biorazgradnja živalskega kolagena lahko poveča tveganje zoonotske okužbe, povzroči imunološke in vnetne odzive.

Fibrin je še en biološki material s kontroliranimi značilnostmi biorazgradnje. Ker se lahko fibrinski geli izdelajo iz pacientove krvi za naknadno izdelavo avtologne matrice, implantacija takšne strukture ne bo povzročila toksične degradacije in vnetnega odziva. Vendar ima fibrin takšne pomanjkljivosti, kot so difuzija in izpiranje v okolje ter nizke mehanske lastnosti.

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

Umetni srčni ventili iz sintetičnih materialov

Umetni srčni ventili so izdelani tudi iz sintetičnih materialov. Številni poskusi proizvajajo ventili matrike so temeljile na uporabi polyglactin, poliglikolna kislina (PGA), polilakticheskoy kislina (PLA), kopolimer PGA in PLA (PLGA) in polihidroksialkanoatov (PHA). Zelo porozen sintetični material lahko dobimo iz tkanih ali netkanih vlaken in s tehnologijo izlivanja soli. Obetavna kompozitnega materiala (PGA / R4NV) za izdelavo matric pridobljenih iz netkanih zanke poliglikolno kislino (PGA), prevlečeni s poli-4-hidroksibutirata (R4NV). Izdelani umetni srčni ventili iz tega materiala se sterilizirajo z etilenoksidom. Vendar pa je pomembno začetno togost in debelina zank teh polimerov, njihova hitra in nenadzorovana razgradnja spremlja sproščanje citotoksičnih produktov kisel, zahtevajo nadaljnje preiskave in iskanje z drugimi materiali.

Uporaba avtolognih tkivne kulture plošče myofibroblasts kultiviramo na okvirju, da se tvori nosilno matrico s stimulacijo proizvodnje teh celic smo dobili vzorce s aktivne ventili živih celic, obdanih z ekstracelularnega matriksa. Vendar pa mehanske lastnosti tkiv teh ventilov ne zadostujejo za njihovo implantacijo.

Potrebnega nivoja proliferacije in regeneracije tkiva ustvarjenega ventila ni mogoče doseči s kombiniranjem celic in matrike. Izražanje celičnega genskega in tkivnega tkiva se lahko regulira ali spodbuja z dodajanjem rastnih faktorjev, citokinov ali hormonov, mitogenih faktorjev ali faktorjev adhezije v matrikah in matrikah. Proučujemo možnost uvedbe teh regulatorjev v biomateriale matrike. Na splošno obstajajo precejšnje pomanjkanje raziskav o regulaciji procesa tvorjenja tkivnih ventilov z biokemijskimi dražljaji.

Aceličnih prašičji Heterologni matrika P, pljučna bioprosthesis obsega detsellyulyarizovannoy tkanina obdelana s posebnim patentiranim postopkom AutoTissue GmbH, v kateri so zdravljenje z antibiotiki, natrijev deoksiholat in alkoholom Ta metoda obdelave Mednarodna organizacija sprejme za standardizacijo, odpravlja vse žive celice in postkletochnye strukturo (fibroblaste, endotelijskih celic, bakterije, virusi, glivice, Mycoplasma) ohranja arhitektura zunajceličnega matriksa, zmanjšuje nivo DNA in RNA v tkiva minim mA, kar zmanjša na nič verjetnost prenosa prašičje endogene retrovirus (perv) osebe. Matrika P bioprosthesis je sestavljen izključno iz kolagena in elastina z ohranjenim strukturne integracije.

Med bila poskusi na ovcah registrirana minimalno reakcijo iz okoliškega tkiva v 11 mesecih po implantaciji Matrika P bioprosthesis z dobro izvedbo preživetje, ki zlasti kaže v svoji svetleči notranjo površino endokarda. Pravzaprav ni bilo vnetnih reakcij, zgostitev in skrajšanje ventilskih loput. Zabeležena je bila tudi nizka vsebnost kalcija v tkivu bioproteze Matrix P, razlika je bila statistično značilna v primerjavi z obdelanim glutaraldehidom.

Matrika P umetne srčne zaklopke so prilagojeni pogoji za vsakega posameznega bolnika za nekaj mesecev po implantaciji. V študiji na koncu referenčnega obdobja je pokazala, nepoškodovano zunajcelični matriko in izpust endotelij. Ksenografte matrica R vsadi v stopnji Ross izvedli pri 50 bolnikih z prirojenih napak v obdobju od 2002 do 2004, so pokazale boljšo učinkovitost in nižje transvalvular gradient tlaka v primerjavi s krioprezerviranih in detsellyulyarizovannymi alografta SynerGraftMT in brez okvirjev bioprostheses zdravljenih z glutaraldehidom. Matrika P umetne srčne zaklopke za zamenjavo pljučne arterije ventila med obnovo desnega prekata iztočnem traktu pri operacijah prirojene in pridobljene okvare in pljučni ventil proteza po postopku Ross, je na voljo v štirih velikostih (notranji premer): Infant (15-17 mm ) otroci (18-21 mm), intermediata (22-24 mm) in odraslih (25-28 mm).

Napredek pri razvoju ventilov na osnovi tkivnega inženirstva bo odvisen od uspeha ventila celične biologije na (vključno z vprašanji izražanja genov in uredbe), preučevanje somatskih in starosti ventilov (vključno angiogenskih in neurogenim dejavnikov), natančno poznavanje biomehanike vsakega ventila, opredeli primerna za reševanje celic razvoj optimalnih matrik. Za nadaljnji razvoj bolj naprednih tkiva ventilov, popolno razumevanje odnosa med mehanskimi in strukturne lastnosti nativnega ventila in spodbud (bioloških ali mehansko) poustvariti te lastnosti in vitro.

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