Supape de inimă artificiale

Modele moderne, disponibile pentru uz clinic, valvele artificiale biologice artificiale, cu excepția autogrefelor pulmonare, sunt structuri neviabile care nu au potențialul de creștere și reparații tisulare. Acest lucru impune limitări semnificative asupra utilizării lor, în special la copii în corectarea patologiei valvulare. Ingineria țesuturilor a fost formată în ultimii 15 ani. Scopul acestei direcții științifice este crearea în condiții artificiale a unor structuri cum ar fi supapele inimii artificiale cu o suprafață trombo-rezistentă și un interstițiu viabil.

[1], [2],

Cum se dezvoltă supapele artificiale cardiace?

Conceptul științific de inginerie tisulară se bazează pe ideea de a soluționa și cultivarea celule vii (fibroblaști, celule etc. Stem) Într-un schelet absorbabil sintetic sau natural (matrice), care reprezintă o structură de supapă tridimensională, precum și utilizarea semnalelor care reglează expresia genelor, organizarea și productivitatea transplantate celule în timpul perioadei de formare a matricei extracelulare.

Astfel de supape artificiale cardiace sunt integrate cu țesutul pacientului pentru restaurarea finală și menținerea în continuare a structurii și funcției sale. Astfel, la matricea inițială ca urmare a celulelor de exploatare (fibroblaste si miofibroblastele al.), Un nou cadru kollagenoelastinovy sau, mai precis, matricea extracelulară. Ca rezultat, valvelor cardiace artificiale optime prin inginerie tehnica de tesut trebuie structurii anatomice și funcția lor mai aproape de nativ și au adaptabilitate biomecanic, capacitatea de a repara și creștere.

Ingineria tisulară dezvoltă valvule cardiace artificiale utilizând diferite surse de recoltare celulară. Astfel, pot fi utilizate celule xenogeneice sau alogene, deși cele primare sunt asociate cu riscul transportului zoonotic la om. Reducerea antigenicității și prevenirea reacțiilor de respingere a organismului este posibilă prin modificarea genetică a celulelor alogene. Ingineria tisulară necesită o sursă sigură de producție celulară. Această sursă este celule autogene luate direct de la pacient și nu dau răspunsuri imune în timpul reimplantării. Supapele artificiale cardiace eficiente sunt produse pe baza celulelor autologe derivate din vasele sanguine (artere și vene). Pentru a obține culturi celulare pure, a fost elaborată o metodă bazată pe utilizarea sortimentului de celule activat fluorescente (FACS). O populație de celule mixte derivată dintr-un vas de sânge este marcată cu un marker acetilat, cu densitate scăzută, de lipoproteină, care este absorbit selectiv pe suprafața endoteliocitelor. Endoteliocitele pot fi ulterior ușor separate de majoritatea celulelor derivate din vase, care vor fi reprezentate de un amestec de celule musculare netede, miofibroblaste și fibroblaste. O sursă de celule, fie artera sau vena, va afecta proprietățile structurii finale. Astfel, supapele inimii artificiale cu o matrice semănată cu celule venoase, în ceea ce privește gradul de formare a colagenului și stabilitatea mecanică, depășesc structurile semănate de celulele arteriale. Alegerea venei periferice pare a fi o sursă mai convenabilă de recoltare celulară.

Miofibroblastele pot fi de asemenea luate din arterele carotide. În același timp, celulele obținute din vase diferă în mod esențial de celulele lor interstițiale naturale. Celulele autologe de cordon ombilical pot fi utilizate ca sursă alternativă de celule.

Supape de inimă artificiale bazate pe celule stem

Progresul ingineriei tisulare în ultimii ani este facilitat de cercetarea în domeniul celulelor stem. Utilizarea celulelor stem din măduva osoasă roșie are avantajele sale. În special, simplitatea eșantionării biomaterialelor și cultivarea in vitro cu diferențierea ulterioară în diferite tipuri de celule mezenchimale permite evitarea utilizării vaselor intacte. Celulele stem sunt surse pluripotente de germeni celulari, au caracteristici imunologice unice care contribuie la stabilitatea lor în condiții alogene.

Celulele stem din măduva osoasă umană sunt obținute prin puncție sternă sau puncție a crestei iliace. Ele sunt izolate din 10-15 ml aspirat de stern, separate de alte celule și cultivate. La atingerea numărului de celule dorit (de obicei, în termen de 21-28 de zile) produc însămânțarea lor (colonizare) în matrice este cultivată în mediu într-o poziție statică (timp de 7 zile într-un incubator umidificat la 37 ° C în prezența a 5% CO2). Stimularea Ulterior creșterii celulare prin mediul kupturalnuyu (stimuli biologic) sau în condiții fiziologice, prin crearea de creștere a țesutului în timpul deformării sale în aparatul de reproducere izometrică în impulsuri - bioreactor (stimuli mecanice). Fibroblastele sunt sensibile la stimulii mecanici care promovează creșterea lor și activitatea funcțională. Debitul pulsatoriu determină o creștere atât a deformărilor radiale cât și a circumferinței, ceea ce duce la orientarea (alungirea) celulelor populate în direcția acțiunii unor astfel de tensiuni. Acest lucru conduce, la rândul său, la formarea structurilor orientate de fibre ale clapetelor. Un flux constant determină numai tensiuni tangențiale pe pereți. Fluxul pulsatoriu are un efect benefic asupra morfologiei, proliferării și compoziției matricei extracelulare. Natura fluxului mediului nutritiv, condițiile fizico-chimice (pH, pO2 și pCO2) în bioreactor afectează în mod semnificativ producția de colagen. Deci, fluxul laminar, curenții turbionari ciclici măresc producția de colagen, ceea ce duce la îmbunătățirea proprietăților mecanice.

O altă abordare în structurile de țesuturi în creștere este aceea de a crea condiții embrionare în bioreactor în loc de a modela condițiile fiziologice ale corpului uman. Cultură pe bază de celule stem, bioclapi de țesut au supape mobile și din material plastic care se comportă bine din punct de vedere funcțional atunci când sunt expuse la presiune înaltă și un debit care depășește nivelul fiziologic. Studiile histologice și histochimice ale pliantelor acestor structuri au arătat prezența în ele a procesului activ de biodegradare a matricei și înlocuirea ei cu țesut viabil. Fabric tip laminat aranjate pe caracteristicile proteinelor matricei extracelulare, astfel de caracteristici ale tesutului nativ prin prezența colagenului de tip I și III, și glicozaminoglicanilor. Cu toate acestea, nu a fost obținută o structură tipică cu trei straturi a supapelor - straturi ventriculare, spongioase și fibroase. Descoperit în toate fragmentele, celulele ASMA-pozitive care exprimă vimentin au caracteristici similare cu caracteristicile miofibroblastelor. Microscopia electronică a elementelor celulare au fost găsite a fi caracteristice miofibroblaști viabile, active, secretorii (actina / filament miozină, fire de colagen, elastina) și pe suprafața țesăturii - celulele endoteliale.

Coliere de tip I, III, ASMA și vimentin au fost găsite pe supape. Proprietățile mecanice ale aripilor țesutului și ale structurilor native au fost comparabile. Supapele cardiace artificiale au arătat o performanță excelentă timp de 20 de săptămâni și s-au asemănat structurilor anatomice naturale pentru microstructura lor, profilul biochimic și formarea unei matrice de proteine.

Toate supapele inimii artificiale, obținute prin metoda ingineriei tisulare, au fost implantate în poziția pulmonară de către animal, deoarece caracteristicile lor mecanice nu corespund sarcinilor în poziția aortică. Supapele de țesut implantate de la animale sunt structurale similare în structura lor cu cele native, ceea ce indică dezvoltarea și rearanjarea lor ulterioară în condiții in vivo. Dacă procesul de restructurare și maturare a țesuturilor va continua în condiții fiziologice după implantarea supapelor artificiale de inimă, așa cum se observă în experimentele pe animale, vor apărea studii suplimentare.

Ideale valvelor cardiace artificiale ar trebui să aibă o porozitate de cel puțin 90%, deoarece este esențial pentru creșterea celulelor, livrarea de nutrienți și îndepărtarea produselor metabolismului celular, în plus față de biocompatibilitatea și biodegradabilitatea, valve cardiace artificiale trebuie să aibă punct de vedere chimic favorabile pentru inocularea suprafață celulară și care sunt conforme mecanic proprietățile țesuturilor naturale. Nivelul de biodegradare a matricei trebuie să fie controlat și proporțional cu nivelul de formare a țesutului nou pentru a asigura o garanție a stabilității mecanice pentru o anumită perioadă de timp.

În prezent, sunt dezvoltate matrice sintetice și biologice. Cele mai obișnuite materiale biologice pentru crearea matricelor sunt structurile anatomice donatoare, colagenul și fibrina. Supapele artificiale din inimă polimerică sunt proiectate să biodegradeze după implantare de îndată ce celulele implantate încep să producă și să organizeze propria rețea de matrice extracelulară. Formarea unui nou țesut de matrice poate fi reglată sau stimulată de factori de creștere, citokine sau hormoni.

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

Donatori supape artificiale cardiace

Donor valve cardiace artificiale obținute de la oameni sau animale și lipsite de antigene celulare prin detsellyulyarizatsii pentru a reduce imunogenitatea lor, pot fi utilizate ca matrici. Proteinele conservate ale matricei extracelulare sunt baza aderenței ulterioare a celulelor semănate. Există următoarele metode pentru înlăturarea elementelor celulare (atsellyulyarizatsii): congelare, tratamentul cu tripsină / EDTA, detergent - dodecil sulfat de sodiu, deoksikolatom de sodiu, Triton X-100, MEGA 10, TnBR CHAPS, Tween 20, precum și metode de tratament enzimatic mai multe etape. Aceasta înlătură membranele celulare, acizi nucleici, lipide, structuri citoplasmatice si molecule solubile matrice cu păstrarea de colagen și elastină. Cu toate acestea, nu a fost găsită încă o metodă ideală. Doar sulfatul de dodecil-sodiu (0,03-1%) sau deoxicolatul de sodiu (0,5-2%) a dus la îndepărtarea completă a celulelor după 24 de ore de tratament.

Examinarea histologică la distanță bioklapanov detsellyulyarizovannyh (alogrefa și xenogrefă) la animalele de laborator (câini și porci) au arătat că există o incarnarea parțială și endothelialization miofibroblaști primitorului pe bază, nici un semn de calcifiere. Infiltrarea inflamatorie pronunțată pronunțată a fost observată. Cu toate acestea, în studiile clinice ale supapei de decelerare SynerGraftTM, s-a dezvoltat insuficiența timpurie. Matricea a fost determinată bioproteză exprimat reacția inflamatorie, care a fost inițial nespecifică și a fost însoțită de reacția limfocitare. Disfuncția și degenerarea bioprotezei s-au dezvoltat în decurs de un an. Colonizarea celulelor nu a fost observată în celule, cu toate acestea, a fost detectată calcificarea supapelor și a resturilor de celule preimplantare.

Celulele endoteliale matrice însămânțată acelular si cultivate in vitro și in vivo condiții format un strat coerent pe suprafața clapelor, și celulele interstițiale inoculate structura nativă a demonstrat capacitatea lor de diferențiere. Cu toate acestea, pentru a atinge nivelul fiziologic dorit de colonizare în celulele matricei eșuat în condiții dinamice ale bioreactorului, iar valvele cardiace artificiale implantate au fost însoțite de suficient de rapid (trei luni) îngroșarea datorită proliferării celulelor accelerată și formarea matricei extracelulare. Astfel, în această etapă utilizarea matricelor acelulare donator pentru colonizarea lor de către celule are o serie de probleme nerezolvate, inclusiv 8 natură imunologică și infecțioasă a bioprotezei detsellyulyarizovannymi de lucru continuă.

Trebuie menționat că colagenul este, de asemenea, unul dintre materialele biologice potențiale pentru fabricarea matricelor capabile de biodegradare. Poate fi folosit sub formă de spumă, gel sau plăci, bureți și ca preformă pe bază de fibre. Cu toate acestea, utilizarea colagenului este asociată cu o serie de dificultăți tehnologice. În special, este dificil de obținut de la pacient. Prin urmare, în prezent, cele mai multe matrice de colagen sunt de origine animală. Biodegradarea întârziată a colagenului animal poate avea un risc crescut de infecție zoonotică, determină răspunsuri imunologice și inflamatorii.

Fibrina este un alt material biologic cu caracteristici controlate de biodegradare. Deoarece gelurile fibrinice pot fi obținute din sângele pacientului pentru fabricarea ulterioară a unei matrice autologe, implantarea unei astfel de structuri nu va determina degradarea sa toxică și răspunsul inflamator. Cu toate acestea, fibrina prezintă dezavantaje precum difuzia și leșierea în mediu și caracteristicile mecanice scăzute.

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

Supape de inimă artificiale din materiale sintetice

Supapele cardiace artificiale sunt, de asemenea, fabricate din materiale sintetice. Mai multe încercări de a fabrica supape matrici au fost bazate pe utilizarea poliglactina, acid poliglicolic (PGA), acid polilakticheskoy (PLA), un copolimer al PGA și PLA (PLGA) și polihidroxialcanoaților (PHA). Materialul sintetic foarte poros poate fi obținut din fibre țesute sau nețesute și utilizând tehnologia de leșiere a sării. Promițând material compozit (PGA / R4NV) pentru fabricarea matricelor derivate dintr-un bucle non-țesute acid poliglicolic (PGA), acoperite cu poli-4-hidroxibutirat (R4NV). Valvele cardiace artificiale din acest material sunt sterilizate cu oxid de etilenă. Cu toate acestea, o rigiditate inițială semnificativă și grosimea buclelor acestor polimeri, degradarea lor rapidă și necontrolată este însoțită de eliberarea produselor citotoxice ale acide, necesită investigații suplimentare și să caute alte materiale.

Folosind autologe plăci de cultură de țesut cu miofibroblastele cultivate pe un cadru pentru a forma o matrice de suport prin stimularea producției acestor celule cu mostre a produs celule viabile valve active, înconjurate de matrice extracelulară. Cu toate acestea, proprietățile mecanice ale țesuturilor acestor supape nu sunt suficiente pentru implantarea lor.

Nivelul necesar de proliferare și regenerare a țesutului valvei create nu poate fi realizat doar prin combinarea celulelor și matricei. Exprimarea genei celulare și formarea țesutului poate fi reglată sau stimulată prin adăugarea de factori de creștere, citokine sau hormoni, factori mitogenici sau factori de adeziune în matrici și matrici. Se studiază posibilitatea introducerii acestor regulatori în biomaterialele matricei. În general, există o lipsă semnificativă de cercetare privind reglarea procesului de formare a supapei tisulare prin stimulente biochimice.

Acelular porcine heterolog matrice P bioproteză pulmonară cuprinde țesătură detsellyulyarizovannoy tratate printr-un procedeu brevetat special AutoTissue GmbH constând din tratamentul cu antibiotice, deoxicolat de sodiu și alcool Această metodă de procesare adoptată de Organizația Internațională de Standardizare, elimina toate celulele vii si structura postkletochnye (fibroblaști, celule endoteliale, bacterii, virusuri, fungi, micoplasme) păstrează arhitectura matricei extracelulare, reduce nivelul de ADN si ARN in tesutul la mINIM mA, ceea ce reduce la zero probabilitatea de transmitere a persoanei porcine retrovirusuri endogene (PERV). Matricea P bioproteză este format exclusiv din colagen și elastină cu integrarea structurală conservate.

In timpul experimentelor pe ovine a fost înregistrată reacția minimă din țesutul înconjurător în 11 luni după implantare P Matrix bioproteză cu o bună performanță a supraviețuirii sale, care, în special, manifestată în suprafața lucioasă interioară a endocardului. De fapt, nu au existat reacții inflamatorii, îngroșarea și scurtarea valvelor valvei. A fost înregistrat un nivel scăzut de calciu al țesutului de bioproteză Matrix P, diferența fiind statistic semnificativă în comparație cu glutaraldehida tratată.

Matricea P valve cardiace artificiale sunt adaptate la condițiile pacientului individual pentru câteva luni de la implantare. In cadrul studiului, la sfârșitul perioadei de referință a relevat o matrice și de scurgere extracelular endoteliu intact. Xenografts Matrix R implantat în etapa Ross efectuat la 50 de pacienți cu defecte congenitale în perioada cuprinsă între 2002 2004 a demonstrat performanțe superioare și gradienți de presiune transvalvular mai mici comparativ cu bioproteze crioprezervat și detsellyulyarizovannymi alogrefa SynerGraftMT și frameless tratate cu glutaraldehidă. Matricea P valve cardiace artificiale pentru înlocuirea valvei arterei pulmonare în timpul reconstrucției drept tractului de ejecție a ventriculului în chirurgia congenitale și defecte dobândite și proteza valvei pulmonare la procedura Ross, este disponibil în patru dimensiuni (diametru interior): Infant (15-17 mm ) copii (18-21 mm), intermediar (22-24 mm) și pentru adulți (25-28 mm).

Progresul în dezvoltarea supapelor pe baza de inginerie tisulară va depinde de succesul biologiei celulare supapă (inclusiv probleme de expresia genelor si reglementare), studiul embriogenic și vârsta supapelor (inclusiv factori angiogenici și neurogene), cunoașterea exactă a biomecanica fiecărei valve, identificarea adecvată pentru soluționarea celulelor dezvoltarea matricelor optime. Pentru dezvoltarea în continuare a mai multor valve de țesut avansate, o înțelegere completă a relației dintre caracteristicile mecanice și structurale ale valvei native și stimulente (biologice sau mecanice) pentru a recrea aceste caracteristici in vitro.

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