Katup jantung buatan

Katup jantung buatan biologis modern yang tersedia untuk penggunaan klinis, kecuali cangkok paru otomatis, adalah struktur yang tidak dapat hidup dan tidak memiliki potensi untuk pertumbuhan dan perbaikan jaringan. Hal ini menimbulkan keterbatasan yang signifikan pada penggunaannya, terutama pada anak-anak, untuk koreksi patologi katup. Rekayasa jaringan telah berkembang selama 15 tahun terakhir. Tujuan dari arahan ilmiah ini adalah untuk menciptakan struktur seperti katup jantung buatan dalam kondisi buatan dengan permukaan yang tahan terhadap tromboemboli dan interstitium yang dapat hidup.

[ 1 ], [ 2 ]

Bagaimana katup jantung buatan dikembangkan?

Konsep ilmiah rekayasa jaringan didasarkan pada gagasan tentang penempatan dan pertumbuhan sel-sel hidup (fibroblas, sel punca, dll.) dalam perancah (matriks) sintetis atau alami yang dapat diserap, yang merupakan struktur katup tiga dimensi, serta penggunaan sinyal yang mengatur ekspresi gen, organisasi, dan produktivitas sel yang ditransplantasikan selama periode pembentukan matriks ekstraseluler.

Katup jantung buatan tersebut diintegrasikan dengan jaringan pasien untuk pemulihan akhir dan pemeliharaan lebih lanjut terhadap struktur dan fungsinya. Dalam hal ini, kerangka kolagen-elastin baru atau, lebih tepatnya, matriks ekstraseluler terbentuk pada matriks asli sebagai hasil dari fungsi sel (fibroblas, miofibroblas, dll.). Akibatnya, katup jantung buatan yang optimal yang dibuat melalui rekayasa jaringan harus mendekati katup jantung asli dalam hal struktur dan fungsi anatomi, dan juga memiliki kemampuan adaptasi biomekanik, kemampuan untuk memperbaiki dan tumbuh.

Rekayasa jaringan mengembangkan katup jantung buatan menggunakan berbagai sumber pengumpulan sel. Dengan demikian, sel xenogenik atau alogenik dapat digunakan, meskipun yang pertama dikaitkan dengan risiko penularan zoonosis ke manusia. Dimungkinkan untuk mengurangi antigenisitas dan mencegah reaksi penolakan tubuh dengan modifikasi genetik sel alogenik. Rekayasa jaringan memerlukan sumber sel yang andal. Sumber tersebut adalah sel autogen yang diambil langsung dari pasien dan tidak menghasilkan reaksi imun selama reimplantasi. Katup jantung buatan yang efektif diproduksi berdasarkan sel autolog yang diperoleh dari pembuluh darah (arteri dan vena). Sebuah metode berdasarkan penggunaan penyortiran sel yang diaktifkan fluoresensi - FACS telah dikembangkan untuk mendapatkan kultur sel murni. Populasi sel campuran yang diperoleh dari pembuluh darah diberi label dengan penanda lipoprotein densitas rendah yang terasetilasi, yang diserap secara selektif pada permukaan endoteliosit. Sel endotel kemudian dapat dengan mudah dipisahkan dari sebagian besar sel yang diperoleh dari pembuluh darah, yang akan menjadi campuran sel otot polos, miofibroblas, dan fibroblas. Sumber sel, baik arteri maupun vena, akan memengaruhi sifat konstruksi akhir. Dengan demikian, katup jantung buatan dengan matriks yang disemai dengan sel vena lebih unggul dalam pembentukan kolagen dan stabilitas mekanis dibandingkan konstruksi yang disemai dengan sel arteri. Pilihan vena perifer tampaknya menjadi sumber pengumpulan sel yang lebih mudah.

Miofibroblas juga dapat diambil dari arteri karotis. Akan tetapi, sel yang berasal dari pembuluh darah memiliki karakteristik yang jauh berbeda dari sel interstisial alami. Sel tali pusat autolog dapat digunakan sebagai sumber sel alternatif.

Katup Jantung Buatan Berbasis Sel Punca

Dalam beberapa tahun terakhir, kemajuan dalam rekayasa jaringan telah difasilitasi oleh penelitian sel punca. Penggunaan sel punca sumsum tulang merah memiliki kelebihan tersendiri. Secara khusus, kesederhanaan pengumpulan biomaterial dan budidaya in vitro dengan diferensiasi selanjutnya menjadi berbagai jenis sel mesenkimal memungkinkan penghindaran penggunaan pembuluh darah yang utuh. Sel punca merupakan sumber pluripoten dari garis keturunan sel dan memiliki karakteristik imunologi unik yang berkontribusi pada stabilitasnya dalam kondisi alogenik.

Sel punca sumsum tulang merah manusia diperoleh melalui tusukan sternum atau tusukan krista iliaka. Sel punca diisolasi dari 10-15 ml aspirasi sternum, dipisahkan dari sel lain, dan dikultur. Setelah mencapai jumlah sel yang dibutuhkan (biasanya dalam 21-28 hari), sel punca disemai (dikolonisasi) pada matriks dan dikultur dalam media nutrisi dalam posisi statis (selama 7 hari dalam inkubator yang dilembabkan pada suhu 37 °C dengan adanya 5% CO2). Selanjutnya, pertumbuhan sel dirangsang melalui media kuptural (rangsangan biologis) atau dengan menciptakan kondisi fisiologis untuk pertumbuhan jaringan selama deformasi isometriknya dalam peralatan reproduksi dengan aliran berdenyut - bioreaktor (rangsangan mekanis). Fibroblas sensitif terhadap rangsangan mekanis yang meningkatkan pertumbuhan dan aktivitas fungsionalnya. Aliran berdenyut menyebabkan peningkatan deformasi radial dan melingkar, yang mengarah pada orientasi (pemanjangan) sel yang terisi ke arah tekanan tersebut. Hal ini, pada gilirannya, mengarah pada pembentukan struktur fibrosa berorientasi pada katup. Aliran konstan hanya menyebabkan tekanan tangensial pada dinding. Aliran berdenyut memiliki efek menguntungkan pada morfologi sel, proliferasi, dan komposisi matriks ekstraseluler. Sifat aliran media nutrisi, kondisi fisikokimia (pH, pO2, dan pCO2) dalam bioreaktor juga secara signifikan memengaruhi produksi kolagen. Dengan demikian, aliran laminar, arus eddy siklik meningkatkan produksi kolagen, yang mengarah pada peningkatan sifat mekanis.

Pendekatan lain untuk menumbuhkan struktur jaringan adalah menciptakan kondisi embrionik dalam bioreaktor alih-alih mensimulasikan kondisi fisiologis tubuh manusia. Biovalve jaringan yang tumbuh berdasarkan sel punca memiliki flap yang fleksibel dan mudah bergerak, yang secara fungsional mampu bekerja di bawah pengaruh tekanan dan aliran tinggi yang melebihi tingkat fisiologis. Studi histologis dan histokimia flap struktur ini menunjukkan adanya proses aktif biodestruksi matriks dan penggantiannya dengan jaringan yang layak. Jaringan tersebut disusun menurut tipe berlapis dengan karakteristik protein matriks ekstraseluler yang mirip dengan jaringan asli, keberadaan kolagen tipe I dan III, dan glikosaminoglikan. Namun, struktur tiga lapis flap yang khas - lapisan ventrikel, spons, dan fibrosa - tidak diperoleh. Sel ASMA-positif yang mengekspresikan vimentin yang ditemukan di semua fragmen memiliki karakteristik yang mirip dengan miofibroblas. Mikroskop elektron mengungkapkan adanya unsur-unsur seluler dengan ciri-ciri khas miofibroblas aktif yang hidup dan sekresi (filamen aktin/miosin, benang kolagen, elastin), dan sel-sel endotel pada permukaan jaringan.

Kolagen tipe I, III, ASMA, dan vimentin terdeteksi pada daun katup. Sifat mekanis daun katup jaringan dan struktur asli sebanding. Katup jantung buatan jaringan menunjukkan kinerja yang sangat baik selama 20 minggu dan menyerupai struktur anatomi alami dalam mikrostruktur, profil biokimia, dan pembentukan matriks protein.

Semua katup jantung buatan yang diperoleh melalui rekayasa jaringan ditanamkan pada hewan dalam posisi paru, karena karakteristik mekanisnya tidak sesuai dengan beban pada posisi aorta. Katup jaringan yang dieksplantasikan dari hewan memiliki struktur yang mirip dengan katup asli, yang menunjukkan perkembangan dan restrukturisasi lebih lanjut secara in vivo. Apakah proses restrukturisasi dan pematangan jaringan akan berlanjut dalam kondisi fisiologis setelah katup jantung buatan ditanamkan, seperti yang diamati dalam percobaan hewan, akan dibuktikan oleh penelitian lebih lanjut.

Katup jantung buatan yang ideal harus memiliki porositas minimal 90%, karena ini penting untuk pertumbuhan sel, pengiriman nutrisi, dan pembuangan produk metabolisme seluler. Selain biokompatibilitas dan biodegradabilitas, katup jantung buatan harus memiliki permukaan yang secara kimiawi cocok untuk penyemaian sel dan sesuai dengan sifat mekanis jaringan alami. Tingkat biodegradasi matriks harus dapat dikontrol dan proporsional dengan tingkat pembentukan jaringan baru untuk memastikan stabilitas mekanis dari waktu ke waktu.

Saat ini, matriks sintetis dan biologis sedang dikembangkan. Bahan biologis yang paling umum untuk membuat matriks adalah struktur anatomi donor, kolagen, dan fibrin. Katup jantung buatan polimer sedang dirancang untuk terurai secara biologis setelah implantasi, setelah sel yang diimplan mulai memproduksi dan mengatur jaringan matriks ekstraselulernya sendiri. Pembentukan jaringan matriks baru dapat diatur atau dirangsang oleh faktor pertumbuhan, sitokin, atau hormon.

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

Katup jantung buatan donor

Katup jantung buatan donor yang diperoleh dari manusia atau hewan dan dihilangkan antigen selulernya dengan deselularisasi untuk mengurangi imunogenisitasnya dapat digunakan sebagai matriks. Protein yang diawetkan dari matriks ekstraseluler adalah dasar untuk adhesi sel-sel yang disemai selanjutnya. Metode-metode berikut untuk menghilangkan elemen seluler (aselularisasi) ada: pembekuan, perawatan dengan tripsin/EDTA, deterjen - natrium dodecyl sulfate, natrium deoxycolate, Triton X-100, MEGA 10, TnBR CHAPS, Tween 20, serta metode perawatan enzimatik multi-tahap. Dalam kasus ini, membran sel, asam nukleat, lipid, struktur sitoplasma dan molekul matriks yang larut dihilangkan sambil mempertahankan kolagen dan elastin. Namun, metode yang ideal belum ditemukan. Hanya natrium dodecyl sulfate (0,03-1%) atau natrium deoxycolate (0,5-2%) yang menghasilkan penghilangan sel lengkap setelah 24 jam perawatan.

Pemeriksaan histologis pada biovalve yang dideselularisasi (allograft dan xenograft) yang diangkat dalam percobaan hewan (anjing dan babi) menunjukkan endotelisasi parsial dan pertumbuhan miofibroblas resipien ke dalam dasar, tanpa tanda-tanda kalsifikasi. Infiltrasi inflamasi sedang dicatat. Namun, kegagalan dini berkembang selama uji klinis katup SynerGraftTM yang dideselularisasi. Reaksi inflamasi yang nyata terdeteksi dalam matriks bioprostesis, yang awalnya tidak spesifik dan disertai dengan reaksi limfositik. Disfungsi dan degenerasi bioprostesis berkembang selama satu tahun. Tidak ada kolonisasi sel matriks yang dicatat, tetapi kalsifikasi katup dan sisa-sisa sel praimplantasi terdeteksi.

Matriks bebas sel yang disemai dengan sel endotel dan dikulturkan secara in vitro dan in vivo membentuk lapisan yang koheren pada permukaan katup, dan sel interstisial yang disemai dari struktur asli menunjukkan kemampuan mereka untuk berdiferensiasi. Namun, tidak mungkin untuk mencapai tingkat fisiologis kolonisasi sel yang diperlukan pada matriks dalam kondisi dinamis bioreaktor, dan katup jantung buatan yang ditanamkan disertai dengan penebalan yang cukup cepat (tiga bulan) karena percepatan proliferasi sel dan pembentukan matriks ekstraseluler. Dengan demikian, pada tahap ini, penggunaan matriks bebas sel donor untuk kolonisasinya dengan sel memiliki sejumlah masalah yang belum terpecahkan, termasuk masalah imunologis dan infeksius; pekerjaan pada bioprostesis yang dideselularisasi terus berlanjut.

Perlu dicatat bahwa kolagen juga merupakan salah satu bahan biologis potensial untuk produksi matriks yang mampu mengalami biodegradasi. Kolagen dapat digunakan dalam bentuk busa, gel atau pelat, spons, dan sebagai blanko berbasis serat. Namun, penggunaan kolagen dikaitkan dengan sejumlah kesulitan teknologi. Secara khusus, kolagen sulit diperoleh dari pasien. Oleh karena itu, saat ini, sebagian besar matriks kolagen berasal dari hewan. Biodegradasi kolagen hewan yang lambat dapat menimbulkan risiko infeksi zoonosis yang lebih tinggi, menyebabkan reaksi imunologis dan inflamasi.

Fibrin adalah bahan biologis lain dengan karakteristik biodegradasi terkendali. Karena gel fibrin dapat dibuat dari darah pasien untuk produksi matriks autologus selanjutnya, implantasi struktur tersebut tidak akan menyebabkan degradasi toksik dan reaksi inflamasi. Namun, fibrin memiliki beberapa kelemahan seperti difusi dan pelindian ke lingkungan dan sifat mekanis yang rendah.

[ 7 ], [ 8 ], [ 9 ], [ 10 ], [ 11 ]

Katup jantung buatan terbuat dari bahan sintetis

Katup jantung buatan juga terbuat dari bahan sintetis. Beberapa upaya untuk memproduksi matriks katup didasarkan pada penggunaan poliglaktin, asam poliglikolat (PGA), asam polilaktat (PLA), kopolimer PGA dan PLA (PLGA) dan polihidroksialkanoat (PHA). Bahan sintetis yang sangat berpori dapat diperoleh dari serat yang dikepang atau tidak dikepang dan menggunakan teknologi pelindian garam. Bahan komposit yang menjanjikan (PGA/P4HB) untuk pembuatan matriks diperoleh dari loop asam poliglikolat (PGA) yang tidak dikepang yang dilapisi dengan poli-4-hidroksibutirat (P4HB). Katup jantung buatan yang diproduksi dari bahan ini disterilkan dengan etilen oksida. Namun, kekakuan dan ketebalan awal yang signifikan dari loop polimer ini, degradasinya yang cepat dan tidak terkendali, disertai dengan pelepasan produk sitotoksik yang bersifat asam, memerlukan penelitian lebih lanjut dan pencarian bahan lain.

Penggunaan pelat kultur jaringan miofibroblast autologus yang dikultur pada perancah untuk membentuk matriks pendukung dengan merangsang produksi sel-sel ini telah memungkinkan untuk memperoleh sampel katup dengan sel-sel aktif yang dikelilingi oleh matriks ekstraseluler. Akan tetapi, sifat mekanis jaringan katup ini masih belum memadai untuk implantasinya.

Tingkat proliferasi dan regenerasi jaringan yang dibutuhkan dari katup yang sedang dibuat mungkin tidak dapat dicapai hanya dengan menggabungkan sel dan matriks. Ekspresi gen sel dan pembentukan jaringan dapat diatur atau distimulasi dengan menambahkan faktor pertumbuhan, sitokin atau hormon, faktor mitogenik atau faktor adhesi ke matriks dan perancah. Kemungkinan memasukkan regulator ini ke dalam biomaterial matriks sedang dipelajari. Secara keseluruhan, terdapat kekurangan penelitian yang signifikan tentang pengaturan pembentukan katup jaringan oleh rangsangan biokimia.

Bioprostesis paru-paru xenogenik babi aselular Matrix P terdiri dari jaringan yang dideselularisasi yang diproses dengan prosedur khusus yang dipatenkan oleh AutoTissue GmbH, termasuk pengobatan dengan antibiotik, natrium deoksikolat, dan alkohol. Metode pemrosesan ini, yang disetujui oleh Organisasi Internasional untuk Standardisasi, menghilangkan semua sel hidup dan struktur pasca-seluler (fibroblas, sel endotel, bakteri, virus, jamur, mikoplasma), mempertahankan arsitektur matriks ekstraseluler, mengurangi tingkat DNA dan RNA dalam jaringan hingga minimum, yang mengurangi hingga nol kemungkinan penularan retrovirus endogen babi (PERV) ke manusia. Bioprostesis Matrix P secara eksklusif terdiri dari kolagen dan elastin dengan integrasi struktural yang dipertahankan.

Pada percobaan domba, reaksi minimal dari jaringan sekitar tercatat 11 bulan setelah pemasangan bioprostesis Matrix P dengan tingkat kelangsungan hidup yang baik, yang khususnya terlihat pada permukaan bagian dalam endokardium yang mengilap. Reaksi inflamasi, penebalan dan pemendekan daun katup hampir tidak ada. Kadar kalsium jaringan yang rendah pada bioprostesis Matrix P juga tercatat, perbedaannya signifikan secara statistik dibandingkan dengan yang diobati dengan glutaraldehida.

Katup jantung buatan Matrix P beradaptasi dengan kondisi masing-masing pasien dalam beberapa bulan setelah pemasangannya. Pemeriksaan di akhir periode kontrol menunjukkan matriks ekstraseluler utuh dan endotelium konfluen. Xenograft Matrix R yang dipasang pada 50 pasien dengan cacat bawaan selama prosedur Ross antara tahun 2002 dan 2004 menunjukkan kinerja yang unggul dan gradien tekanan transvalvular yang lebih rendah dibandingkan dengan allograft SynerGraftMT yang dikriopreservasi dan dideselularisasi serta bioprostesis tanpa perancah yang diberi perlakuan glutaraldehida. Katup jantung buatan Matrix P ditujukan untuk penggantian katup paru selama rekonstruksi saluran keluar ventrikel kanan dalam pembedahan untuk cacat bawaan dan didapat serta selama penggantian katup paru selama prosedur Ross. Katup ini tersedia dalam 4 ukuran (berdasarkan diameter internal): untuk bayi baru lahir (15-17 mm), untuk anak-anak (18-21 mm), menengah (22-24 mm) dan dewasa (25-28 mm).

Kemajuan dalam pengembangan katup rekayasa jaringan akan bergantung pada kemajuan dalam biologi sel katup (termasuk masalah ekspresi dan regulasi gen), studi tentang perkembangan katup embriogenik dan terkait usia (termasuk faktor angiogenik dan neurogenik), pengetahuan yang tepat tentang biomekanik setiap katup, identifikasi sel yang memadai untuk penyemaian, dan pengembangan matriks yang optimal. Pengembangan lebih lanjut dari katup jaringan yang lebih maju akan memerlukan pemahaman menyeluruh tentang hubungan antara karakteristik mekanis dan struktural katup asli dan rangsangan (biologis dan mekanis) untuk menciptakan kembali karakteristik ini secara in vitro.

[ 12 ], [ 13 ], [ 14 ], [ 15 ]