Umjetna srčana ventila

Moderni, dostupni za kliničku upotrebu, biološki bi umjetni ventili srca, osim plućne autograft, su neprobavljive strukture koje nemaju potencijal za rast i popravak tkiva. To nameće značajna ograničenja na njihovu upotrebu, osobito kod djece u korekciji valovite patologije. Inženjering tkiva nastao je tijekom proteklih 15 godina. Svrha ovog znanstvenog smjera je stvaranje umjetnih uvjeta takvih struktura kao umjetni srčani ventili s površinom otporne na trombiju i održivim intersticijem.

[1], [2],

Kako se razvili umjetni ventili srca?

Znanstveni pojam inženjeringa tkiva se temelji na ideji rješavanja i uzgoj žive stanice (fibroblaste, matične stanice, itd) u sintetskog ili prirodnog apsorbira kostur (matriks) koje predstavljaju trodimenzionalnu strukturu ventila, kao i korištenje signala koji reguliraju ekspresiju gena, organizaciju i produktivnost transplantirani stanica tijekom perioda stvaranja izvanstaničnog matriksa.

Takvi umjetni srčani ventili integrirani su s pacijentovim tkivom za konačno restauriranje i daljnje održavanje njegove strukture i funkcije. Tako se na početnom matrice kao rezultat aktiviranja stanica (fibroblasti i miofibroblasta al.), Novi okvir kollagenoelastinovy ili, točnije, ekstracelularnog matriksa. Kao rezultat toga, optimalni umjetni ventili srca stvoreni metodom inženjerstva tkiva trebali bi svojim anatomskom strukturom i funkcijom pristupiti prirodnom, a također imaju biomehaničku prilagodljivost, sposobnost popravljanja i rasta.

Inženjerstvo tkiva razvija umjetne ventile srca pomoću različitih izvora žetve stanica. Dakle, mogu se koristiti ksenogene ili alogene stanice, iako su prva povezana s rizikom od zoonotskog prijenosa na ljude. Da bi se smanjila antigenost i spriječila reakcija odbacivanja organizma, moguće je genetskom modifikacijom alogenih stanica. Inženjering tkiva zahtijeva pouzdan izvor proizvodnje stanica. Ovaj izvor je autogene stanice koje su uzete izravno od pacijenta i ne daju imunološke odgovore tijekom ponovne implantacije. Učinkoviti umjetni srčani ventili proizvode se na osnovi autolognih stanica izvedenih iz krvnih žila (arterija i vene). Za dobivanje čistih kultura stanica, razvijena je metoda bazirana na upotrebi fluorescentnog aktiviranog staničnog razvrstavanja (FACS). Mješovita populacija stanica dobivena iz krvne žile obilježena je acetiliranim markerom lipoproteina niske gustoće koji je selektivno apsorbiran na površini endotelocita. Endotelociti se mogu naknadno lako odvojiti od većine stanica koje potječu iz plovila, što će biti predstavljeno mješavinom glatkih mišićnih stanica, miofibroblasta i fibroblasta. Izvor stanica, bilo arterija ili vena, utjecat će na svojstva konačne strukture. Dakle, umjetni srčani ventili s matricom posijanim s venskim stanicama, u smislu stupnja stvaranja kolagena i mehaničke stabilnosti, nadilaze strukture posijane arterijskim stanicama. Izbor perifernih žila čini se prikladnijim izvorom žetve stanica.

Mijelofibroblasti se također mogu uzeti iz karotidnih arterija. Istovremeno, stanice dobivene iz plovila bitno se razlikuju od njihovih prirodnih intersticijalnih stanica. Autologne stanice pupkovine mogu se koristiti kao alternativni izvor stanica.

Umjetna srčana ventila temeljena na matičnim stanicama

Napredovanje inženjerstva tkiva posljednjih godina olakšano je istraživanjem matičnih stanica. Korištenje matičnih stanica crvene koštane srži ima svoje prednosti. Posebno, jednostavnost biomaterijalnog uzorkovanja i kultiviranje in vitro uz naknadnu diferencijaciju u različite vrste mezenhimalnih stanica omogućuje izbjegavanje upotrebe intaktnih žila. Matične stanice su pluripotentni izvori staničnih klica, imaju jedinstvene imunološke karakteristike koje doprinose njihovoj stabilnosti u alogenim uvjetima.

Matične stanice ljudske koštane srži dobivene su probavnim stankom ili probijanjem ilijanskoga grebena. Izoliraju se od 10-15 ml sternum aspirata, odvojenih od drugih stanica i kultiviranim. Kad se dosegne željeni broj stanica (obično unutar 21-28 dana) dobije njihova sjetva (Kolonizacija) u matrici je kultivirana u mediju u statičkom položaju (7 dana u vlažnom inkubatoru pri 37 ° C u prisutnosti 5% CO2). Zatim stimulacija rasta stanica kroz kupturalnuyu okoliša (biološke) ili stimulansa fiziološkim uvjetima kroz stvaranje rast tkiva tijekom deformacije u izometriji aparatu umnožavanja pulsirajućim - reaktora (mehanička stimulacija). Fibroblasti su osjetljivi na mehaničke podražaje koji potiču njihov rast i funkcionalnu aktivnost. Pulsirajući tok uzrokuje povećanje radijalne i obodnim deformacija, što rezultira orijentacije (istezanje) stanice naseljena u smjeru djelovanja takvih stresova. To zauzvrat dovodi do formiranja orijentiranih vlaknastih struktura preklopa. Stalni protok samo uzrokuje tangencijalno naprezanje na zidovima. Pulsni protok ima blagotvoran učinak na morfologiju stanica, proliferaciju i sastav izvanstaničnog matriksa. Priroda hranjivom struje sredstva, fizikalno-kemijskim uvjetima (pH, pO2 i pCO2) u bioreaktoru i značajno utječu na proizvodnju kolagena. Dakle, laminarno strujanje, ciklične vrtložne struje povećavaju proizvodnju kolagena, što dovodi do poboljšanih mehaničkih svojstava.

Drugi pristup u rastu strukture tkiva je stvaranje embrionalnih uvjeta u bioreaktoru umjesto modeliranja fizioloških uvjeta ljudskog tijela. Kultivirane na osnovi matičnih stanica, tkiva bioclaps imaju pokretne i plastične ventile koji su funkcionalno dobro ponašaju kada su izloženi visokom tlaku i protok koji prelazi fiziološku razinu. Histološke i histokemijske studije letaka ovih struktura pokazale su prisutnost u njima aktivnog procesa procesa biorazgradnje matrice i njezine zamjene održivim tkivom. Tkanina tipa laminata postavljen na karakteristikama proteina izvanstaničnog matriksa, takve karakteristike nativnog tkivu prisutnosti kolagen tipa I i III, a iz glikozaminoglikana. Međutim, nije dobivena tipična troslojna struktura ventila - ventrikularni, spužvasti i vlaknasti slojevi. Otkrivena u svim fragmentima, ASMA pozitivne stanice koje eksprimiraju vimentin imale su karakteristike slične karakteristikama myofibroblasta. Elektronska mikroskopija staničnih elemenata je utvrđeno da je karakteristika živih, aktivne izvodnih miofibroblasta (aktin / miozina nit, kolagen pređa, elastin), a na površini tkanine - endotelne stanice.

Na ventilima su nađeni vrpci I, III tipa, ASMA i vimentin. Mehanička svojstva krila tkiva i prirodnih struktura bile su usporedive. Tekući umjetni srčani ventili pokazali su izvrsnu učinkovitost tijekom 20 tjedana i slični su prirodnim anatomskim strukturama za njihovu mikrostrukturu, biokemijski profil i formiranje matrice proteina.

Svi umjetni srčani ventili, dobiveni metodom inženjeringa tkiva, ugrađeni su u plućni položaj od strane životinje, budući da njihova mehanička svojstva ne odgovaraju opterećenju u aortnom položaju. Tkivni ventili implantirani od životinja strukturno su slični u njihovoj strukturi na prirodne, što ukazuje na njihov daljnji razvoj i pregradnju pod in vivo uvjetima. Hoće li se proces restrukturiranja i sazrijevanja tkiva nastaviti u fiziološkim uvjetima nakon usadaka umjetnih srčanih ventila, kako je primijećeno u pokusima na životinjama, pokazat će se daljnja istraživanja.

Idealni umjetni srčani zalisci trebao imati poroznost ne manje od 90% jer je bitno za rast stanica, isporuku hranjivih tvari i uklanjanje staničnog metabolizma proizvoda, osim na biokompatibilnosti i biološke razgradljivosti, umjetni srčani zalisci trebao imati kemijski povoljna za inokulaciju površinu stanica iu skladu mehanički svojstva prirodnog tkiva. Razina biorazgradnje matrice mora biti kontrolirana i proporcionalna razini tvorbe novog tkiva kako bi se osigurala garancija mehaničke stabilnosti za određeno vrijeme.

Trenutačno se razvijaju sintetičke i biološke matrice. Najčešći biološki materijali za stvaranje matrica su anatomske strukture donora, kolagen i fibrin. Polimerni umjetni srčani ventili dizajnirani su da biorazgradili nakon implantacije čim implantirane stanice počinju proizvoditi i organizirati vlastitu izvanstaničnu matricu. Formiranje novog matričnog tkiva može se regulirati ili stimulirati faktorima rasta, citokinima ili hormonima.

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

Donatori umjetnih srčanih ventila

Donatorski umjetni srčani zalisci dobivene od ljudi ili životinja i bez stanične antigene detsellyulyarizatsii da bi smanjili imunogenost, može se koristiti kao matrica. Preostali ekstracelularnih proteina matriksa su osnova za naknadno adhezije stanica zasijanih. Postoje slijedeći postupci za uklanjanje staničnih elemenata (atsellyulyarizatsii) zamrzavanje, liječenje tripsin / EDTA, deterdžent - natrijev dodecil sulfat, natrijev deoksikolatom, Triton X-100, MEGA 10 TnBR CHAPS, Tween 20, kao i metode enzimske obrade u više koraka. Ovo uklanja stanične membrane, nukleinske kiseline, lipide, citoplazmatske strukture i topljive molekule matričnih uz očuvanje kolagena i elastina. Međutim, idealna metoda još nije pronađena. Samo natrijev dodecil sulfat (0,03-1%) ili natrijev deoksikolat (0.5-2%) je dovela do potpunog uklanjanja stanica nakon 24 sata obrade.

Histološki pregled daljinskog detsellyulyarizovannyh bioklapanov (transplantata i ksenograft) u eksperimentalnih životinja (psi i svinje) pokazali su da postoji djelomična urastanje i endothelialization miofibroblasta primatelja po bazi, bez znakova kalcifikacije. Zabilježena je umjereno izražena upalna infiltracija. Međutim, u kliničkim ispitivanjima decelulariziranog SynerGraftTM ventila, razvila se rana insuficijencija. U matrici bioproteze, utvrđena je naglašena upalna reakcija, koja je isprva nespecifična i popraćena je limfocitnom reakcijom. Disfunkcija i degeneracija bioproteze razvijene unutar jedne godine. Kolonizacija stanica nije promatrana u stanicama, međutim, otkrivena je kalcifikacija ventila i preimplantacijskih stanica.

Endotelne stanice seeded acelularni matriksa i uzgojene u in vitro i in vivo uvjetima nastaju koherentnog sloj na površini vezica i intersticijske stanice inokulirane nativni strukture pokazuju svoju sposobnost diferencijacije. Međutim, da bi se postigao željeni fiziološki nivo kolonizacije u matrici stanice propale u dinamičkim uvjetima u bioreaktor, a ugrađuju umjetni srčani zalisci su bili u pratnji dovoljno brzo (tri mjeseca) zadebljanja zbog ubrzanog proliferacije stanica i stvaranja izvanstaničnog matriksa. Dakle, u ovoj fazi upotreba matrice donator nestanični za njihovo naseljavanje u stanicama ima niz neriješenih problema, uključujući 8 imunološke i zarazne prirode posla detsellyulyarizovannymi bioprostheses nastavlja.

Treba napomenuti da je kolagen također jedan od mogućih bioloških materijala za proizvodnju matrica sposobnih za biorazgradnju. Može se koristiti u obliku pjene, gela ili ploča, spužve i kao predoblik na osnovi vlakana. Međutim, uporaba kolagena povezana je s brojnim tehnološkim poteškoćama. Konkretno, teško je dobiti od pacijenta. Stoga, u ovom trenutku, većina kolagenskih matrica od životinjskog podrijetla. Odložena biorazgradnja životinjskog kolagena može dovesti do povećanog rizika od zoonotskih infekcija, uzrokovati imunološke i upalne reakcije.

Fibrin je drugi biološki materijal s kontroliranim svojstvima biorazgradnje. Budući da se fibrinski gelovi mogu načiniti iz pacijentove krvi za naknadnu proizvodnju autologne matrice, implantacija takve strukture neće uzrokovati njegovu toksičnu degradaciju i upalni odgovor. Međutim, fibrin ima takve nedostatke kao što je difuzija i ispiranje u okoliš i niske mehaničke osobine.

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

Umjetni srčani ventili od sintetičkih materijala

Umjetni srčani ventili također su izrađeni od sintetičkih materijala. Nekoliko pokušaja da se proizvode ventila matrica bili su utemeljeni na upotrebi poliglaktin, poliglikolna kiselina (PGA), polilakticheskoy kiseline (PLA), kopolimer i PGA PLA (PLGA) i polihidroksialkanoata (PHA). Visoko porozni sintetički materijal može se dobiti od tkanog ili ne-tkanog vlakna i upotrebom tehnologije ispiranja soli. Obećavajući miješanog materijala (PGA / R4NV) za proizvodnju matrica koja je izvedena iz netkane zamku poliglikolna kiselina (PGA), obloženim s poli-4-hidroksibutirata (R4NV). Proizvedeni umjetni srčani ventili iz ovog materijala su sterilizirani s etilen oksidom. Međutim, značajan početna ukočenost i debljina petlje tih polimera, njihova brza i nekontrolirana razgradnja popraćena oslobađanjem citotoksičnih proizvoda kisela, zahtijevaju daljnje istraživanje i potragu za drugim materijalima.

Koristeći se autolognim pločama za kulture tkiva miofibroblasta kultivirane na okvir tako da tvore matricu podrške stimulirajući proizvodnju tih stanica, dobiveni su uzorci s aktivnim ventila živih stanica koje su okružene ekstracelularnog matriksa. Međutim, mehanička svojstva tkiva tih ventila nisu dovoljna za njihovu implantaciju.

Neophodna razina proliferacije i regeneracije tkiva stvorenog ventila ne može se postići samo kombiniranjem stanica i matrice. Ekspresija staničnog gena i tvorbe tkiva mogu se regulirati ili stimulirati dodavanjem faktora rasta, citokina ili hormona, mitogenih čimbenika ili adhezijskih čimbenika u matricama i matricama. Proučava se mogućnost uvođenja ovih regulatora u biomaterijale matrice. Općenito, postoji značajan nedostatak istraživanja regulacije procesa stvaranja tkivnog tkiva pomoću biokemijskih podražaja.

Acelularni svinjskog Heterologni matrica P plućne bioprosthesis sadrži detsellyulyarizovannoy tkanina tretirana posebnim patentiranim AutoTissue GmbH postupku koji se sastoji od liječenja antibioticima, natrij deoksikolatu i alkohola Ova metoda obrade usvaja International Organization for Standardization, uklanja sve žive stanice i postkletochnye strukturu (fibroblasti, endotelne stanice, bakterije, virusi, gljivice, mikoplazma) zadržava arhitektura izvanstaničnog matriksa, što smanjuje razinu DNA i RNA u tkivu se kapljica mA, što smanjuje na nulu vjerojatnost prijenosa svinjske endogenog retrovirus (perv) osobe. Bioprotetika Matrix P sastoji se isključivo od kolagena i elastina sa očuvanom strukturnom integracijom.

Tijekom pokusa na ovce zabilježen minimalni reakcije iz okolnog tkiva u 11 mjeseci nakon implantacije P Matrix bioprosthesis s dobrom izvedbom njen opstanak, što, osobito očituje u svojoj sjajnoj unutarnjoj površini endokard. Zapravo, nije bilo upalnih reakcija, zadebljanja i skraćivanja zatvarača ventila. Također je zabilježena niska razina kalcija u tkivu bioproteze Matrix P, razlika je bila statistički značajna u usporedbi s tretiranim glutaraldehidom.

Umjetni ventili srca Matrix P se prilagođava pojedinim uvjetima pacijenta nekoliko mjeseci nakon ugradnje. U studiji na kraju izvještajnog razdoblja otkrila netaknuti izvanstaničnog matriksa i odvod endotela. Ksenografta Matrix R ugrađuju u stupnju Ross u 50 bolesnika s prirođenim defektima u razdoblju od 2002. Do 2004. Godine, pokazali superiornu izvedbu i niže transvalvularnog gradijenta pritiska u odnosu krioprezerviranih i detsellyulyarizovannymi transplantata SynerGraftMT i frameless bioprostheses tretiranih s glutaraldehidom. Matrica P umjetni srčani zalisci za zamjenu plućne ventila arterija tijekom rekonstrukcije desne klijetke odljev sustava u kirurgiji prirođene i stečene mane i plućna proteza ventil na postupak Ross, dostupan je u četiri veličine (unutarnji promjer): Djeca (15-17 mm (18-21) djece mm), intermedijera (22-24 mm) i odrasle (25-28 mm).

Napredak u razvoju ventila na temelju inženjeringa tkiva ovisit će o uspjehu stanica ventil biologije (uključujući i ekspresije gena pitanja i propisa), proučavanje embriogensko i starosti ventila (uključujući angiogcničkih i neurogene faktora), precizno poznavanje biomehanike svaki ventil, utvrditi odgovarajuća za rješavanje stanice razvoj optimalnih matrica. Za daljnji razvoj naprednijim ventila tkiva, potpuno razumijevanje odnosa mehaničkih i strukturnim karakteristikama nativnog ventila i poticaja (bioloških ili mehanički) za ponovno te karakteristike in vitro.

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