Katup jantung

Sebelumnya diyakini bahwa semua katup jantung merupakan struktur sederhana yang kontribusinya terhadap aliran darah searah hanyalah gerakan pasif sebagai respons terhadap gradien tekanan yang diberikan. Pemahaman tentang "struktur pasif" ini mengarah pada pengembangan pengganti katup mekanis dan biologis yang "pasif".

Kini menjadi jelas bahwa katup jantung memiliki struktur dan fungsi yang lebih kompleks. Oleh karena itu, penciptaan pengganti katup jantung "aktif" mengasumsikan kemiripan yang signifikan dalam struktur dan fungsi dengan katup jantung alami, yang di masa mendatang cukup realistis berkat perkembangan rekayasa jaringan.

Katup jantung berkembang dari dasar embrio jaringan mesenkim selama pembentukan endokardium. Selama morfogenesis, kanal atrioventrikular (katup jantung trikuspid dan mitral) dan saluran keluar ventrikel (katup jantung aorta dan paru) terbentuk.

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

Bagaimana katup jantung tersusun?

Studi tentang suplai darah ke katup dimulai oleh N. Luschka (1852), yang menyuntikkan massa kontras ke pembuluh jantung. Ia menemukan banyak pembuluh darah di katup atrioventrikular dan semilunar aorta dan arteri pulmonalis. Pada saat yang sama, sejumlah manual tentang anatomi dan histologi patologis memuat indikasi bahwa katup jantung manusia yang tidak berubah tidak mengandung pembuluh darah, dan yang terakhir muncul di katup hanya dalam berbagai proses patologis - aterosklerosis dan endokarditis dari berbagai etiologi. Informasi tentang tidak adanya pembuluh darah terutama didasarkan pada studi histologis. Diasumsikan bahwa dengan tidak adanya pembuluh darah di bagian bebas katup, nutrisi mereka terjadi dengan menyaring cairan dari plasma darah yang mencuci katup. Penetrasi beberapa pembuluh bersama dengan serat jaringan otot lurik ke dasar katup dan korda tendon dicatat.

Namun, ketika menyuntikkan pembuluh jantung dengan berbagai pewarna (tinta India dalam gelatin, bismut dalam gelatin, suspensi berair tinta hitam India, larutan karmin atau biru tripan), ditemukan bahwa pembuluh menembus katup jantung atrioventrikular, katup aorta dan arteri pulmonalis bersama dengan jaringan otot jantung, sedikit kurang mencapai tepi bebas katup.

Pada jaringan ikat fibrosa longgar pada daun katup atrioventrikular, ditemukan pembuluh darah utama individual yang beranastomosis dengan pembuluh darah di area jaringan otot lurik jantung yang berdekatan.

Jumlah pembuluh darah terbesar terletak di pangkal dan jumlah yang relatif lebih kecil di bagian bebas katup ini.

Menurut KI Kulchitsky dkk. (1990), diameter pembuluh arteri dan vena yang lebih besar ditemukan di katup mitral. Di dasar daun katup ini terutama terletak pembuluh utama dengan jaringan kapiler melingkar sempit, menembus ke bagian basal daun katup dan menempati 10% dari luasnya. Pada katup trikuspid, pembuluh arteri memiliki diameter lebih kecil daripada di katup mitral. Di daun katup ini, sebagian besar terdapat pembuluh yang tersebar dan lingkaran kapiler darah yang relatif lebar. Di katup mitral, daun katup anterior disuplai dengan darah lebih intensif, di katup trikuspid - daun katup anterior dan posterior, yang melakukan fungsi penutupan utama. Rasio diameter pembuluh arteri dan vena di katup atrioventrikular jantung orang dewasa adalah 1:1,5. Lingkaran kapiler berbentuk poligonal dan terletak tegak lurus dengan dasar daun katup. Pembuluh darah membentuk jaringan planar yang terletak di bawah endotelium di sisi atrium. Pembuluh darah juga ditemukan di korda tendon, di mana mereka menembus dari otot papiler ventrikel kanan dan kiri pada jarak hingga 30% dari panjang korda tendon. Banyak pembuluh darah membentuk lengkung lengkung di dasar korda tendon. Katup jantung aorta dan trunkus pulmonalis berbeda secara signifikan dari katup atrioventrikular dalam hal suplai darah. Pembuluh darah utama dengan diameter yang relatif lebih kecil mendekati dasar katup semilunar aorta dan katup trunkus pulmonalis. Cabang-cabang pendek pembuluh ini berakhir di lengkung kapiler berbentuk oval dan poligonal tidak beraturan. Mereka terletak terutama di dekat dasar katup semilunar. Pembuluh vena di dasar katup aorta dan pulmonalis juga memiliki diameter lebih kecil daripada yang ada di dasar katup atrioventrikular. Rasio diameter pembuluh arteri dan vena di katup aorta dan pulmonalis jantung orang dewasa adalah 1:1,4. Cabang lateral pendek memanjang dari pembuluh yang lebih besar, berakhir pada lengkung kapiler berbentuk oval dan poligonal yang tidak beraturan.

Seiring bertambahnya usia, terjadi pengerasan serat jaringan ikat, baik kolagen maupun elastis, serta penurunan jumlah jaringan ikat fibrosa longgar yang belum terbentuk, sklerosis jaringan katup atrioventrikular dan katup semilunar katup aorta dan arteri pulmonalis berkembang. Panjang serat otot lurik jantung di katup berkurang, dan akibatnya, jumlahnya dan jumlah pembuluh darah yang menembus katup jantung berkurang. Karena perubahan ini, katup jantung kehilangan sifat elastis dan uletnya, yang memengaruhi mekanisme penutupan katup dan hemodinamik.

Katup jantung memiliki jaringan kapiler limfatik dan sejumlah kecil pembuluh limfatik yang dilengkapi dengan katup. Kapiler limfatik dari katup memiliki penampilan yang khas: lumennya sangat tidak rata, kapiler yang sama di daerah yang berbeda memiliki diameter yang berbeda. Di tempat-tempat di mana beberapa kapiler bergabung, ekspansi terbentuk - lakuna dengan berbagai bentuk. Lingkaran jaringan seringkali berbentuk poligonal tidak beraturan, lebih jarang berbentuk oval atau bulat. Seringkali lingkaran jaringan limfatik tidak tertutup, dan kapiler limfatik berakhir secara membabi buta. Lingkaran kapiler limfatik paling sering berorientasi ke arah dari tepi bebas katup ke dasarnya. Dalam beberapa kasus, jaringan kapiler limfatik dua lapis ditemukan di katup katup atrioventrikular.

Pleksus saraf endokardium terletak di berbagai lapisannya, terutama di bawah endotelium. Di tepi bebas katup katup, serabut saraf terletak terutama secara radial, terhubung dengan serabut saraf korda tendinus. Lebih dekat ke dasar katup katup, pleksus saraf berjalin besar terbentuk, yang terhubung dengan pleksus yang terletak di sekitar cincin fibrosa. Pada katup katup semilunar, jaringan saraf endokardium lebih jarang. Di tempat perlekatan katup, jaringan menjadi padat dan berlapis-lapis.

Struktur seluler katup jantung

Sel-sel interstisial katup, yang bertanggung jawab untuk menjaga struktur katup, bentuknya memanjang dengan banyak prosesus halus yang memanjang ke seluruh matriks katup. Ada dua populasi sel interstisial katup yang berbeda dalam morfologi dan struktur; satu memiliki sifat kontraktil dan ditandai dengan adanya fibril kontraktil, yang lain memiliki sifat sekretori dan memiliki retikulum endoplasma dan aparatus Golgi yang berkembang dengan baik. Fungsi kontraktil menahan tekanan hemodinamik dan selanjutnya didukung oleh produksi protein kontraktil jantung dan rangka, yang meliputi rantai berat alfa- dan beta-miosin dan berbagai isoform troponin. Kontraksi daun katup jantung telah ditunjukkan sebagai respons terhadap sejumlah agen vasoaktif, yang menunjukkan stimulus biologis terkoordinasi untuk fungsi katup yang berhasil.

Sel interstisial juga merupakan komponen penting dari sistem perbaikan struktur seperti katup jantung. Pergerakan daun katup yang konstan dan deformasi jaringan ikat yang terkait menghasilkan kerusakan yang ditanggapi oleh sel interstisial katup untuk menjaga integritas katup. Proses perbaikan tampaknya penting untuk fungsi katup yang normal, dan tidak adanya sel-sel ini dalam model katup buatan saat ini kemungkinan merupakan faktor yang berkontribusi terhadap kerusakan struktural bioprostesis.

Bidang penelitian penting dalam sel interstisial adalah studi tentang interaksi antara sel-sel tersebut dan matriks di sekitarnya yang dimediasi oleh molekul adhesi fokal. Adhesi fokal adalah situs interaksi sel-matriks khusus yang menghubungkan sitoskeleton sel ke protein matriks melalui integrin. Mereka juga bertindak sebagai situs transduksi sinyal, menyampaikan informasi mekanis dari matriks ekstraseluler yang dapat menimbulkan respons termasuk, tetapi tidak terbatas pada, adhesi sel, migrasi, pertumbuhan, dan diferensiasi. Memahami biologi sel sel interstisial katup sangat penting untuk menjelaskan mekanisme yang digunakan sel-sel ini untuk berinteraksi satu sama lain dan lingkungannya, sehingga fungsi ini dapat direkapitulasi dalam katup buatan.

Sehubungan dengan pengembangan arah rekayasa jaringan katup jantung yang menjanjikan, studi sel interstisial dilakukan dengan menggunakan berbagai macam teknik. Keberadaan sitoskeleton sel dikonfirmasi dengan pewarnaan untuk vimentin, desmin, troponin, alfa-aktin dan miosin otot polos, rantai berat alfa- dan beta-miosin, rantai ringan-2 miosin jantung, alfa- dan beta-tubulin. Kontraktilitas sel dikonfirmasi dengan respons positif terhadap epinefrin, angiotensin II, bradikinin, karbakol, kalium klorida, endotelium I. Hubungan antar sel ditentukan oleh interaksi celah fungsional dan diverifikasi dengan mikroinjeksi karboksifluorescein. Sekresi matriks ditetapkan dengan pewarnaan untuk prolil-4-hidroksilase / kolagen tipe II, fibronektin, kondroitin sulfat, laminin. Persarafan terbentuk oleh lokasi ujung saraf motorik yang berdekatan, yang tercermin dari aktivitas neuropeptida Y tirosin hidroksilase, asetilkolinesterase, polipeptida intestinal vasoaktif, substansi-P, peptida terkait gen capsicum. Faktor mitogenik diperkirakan oleh faktor pertumbuhan turunan trombosit, faktor pertumbuhan fibroblas dasar, serotonin (5-HT). Fibroblas sel interstisial yang diteliti dicirikan oleh membran dasar yang tidak lengkap, proses sitoplasma yang panjang dan tipis, hubungan yang erat dengan matriks, retikulum endoplasma yang tidak merata dan aparatus Golgi yang berkembang dengan baik, kekayaan mikrofilamen, pembentukan ikatan perekat.

Sel endokardium katup membentuk selubung atrombogenik fungsional di sekitar setiap katup jantung yang mirip dengan endotelium vaskular. Metode penggantian katup yang banyak digunakan menghilangkan fungsi pelindung endokardium, yang dapat menyebabkan pengendapan trombosit dan fibrin pada katup buatan, perkembangan infeksi bakteri, dan kalsifikasi jaringan. Fungsi lain yang mungkin dari sel-sel ini adalah pengaturan sel-sel interstisial katup yang mendasarinya yang mirip dengan pengaturan sel-sel otot polos oleh endotelium. Interaksi kompleks terjadi antara endotelium dan sel-sel yang berdekatan, yang sebagian dimediasi oleh faktor-faktor terlarut yang disekresikan oleh sel-sel endotel. Sel-sel ini membentuk permukaan besar yang ditutupi dengan mikroprotrusi pada sisi luminal, sehingga meningkatkan paparan dan kemungkinan interaksi dengan zat-zat metabolik dalam darah yang bersirkulasi.

Endotelium sering menunjukkan perbedaan morfologi dan fungsi yang disebabkan oleh tekanan geser pada dinding pembuluh darah akibat aliran darah, dan ini juga berlaku untuk sel endokardium katup, yang berbentuk memanjang atau poligonal. Perubahan struktur sel dapat terjadi karena aksi hemodinamik lokal pada komponen sitoskeleton sel atau efek sekunder yang disebabkan oleh perubahan matriks ekstraseluler yang mendasarinya. Pada tingkat ultrastruktural, sel endokardium katup memiliki koneksi antarsel, vesikel plasma, retikulum endoplasma kasar, dan aparatus Golgi. Meskipun mereka menghasilkan faktor von Willebrand baik secara in vivo maupun in vitro, mereka tidak memiliki badan Weibel-Palade (granula spesifik yang mengandung faktor von Willebrand), yang merupakan organel karakteristik endotelium vaskular. Sel endokardium katup dicirikan oleh sambungan yang kuat, interaksi celah fungsional, dan lipatan marginal yang tumpang tindih.

Sel endokardium mempertahankan aktivitas metaboliknya bahkan secara in vitro: sel ini menghasilkan faktor von Willebrand, prostasiklin, sintase oksida nitrat, menunjukkan aktivitas enzim pengubah angiotensin, dan secara intensif mengeluarkan molekul adhesi ICAM-1 dan ELAM-1, yang penting untuk mengikat sel mononuklear selama perkembangan respons imun. Semua penanda ini harus diperhitungkan saat menumbuhkan kultur sel yang ideal untuk membuat katup buatan menggunakan rekayasa jaringan, tetapi potensi imunostimulasi sel endokardium katup itu sendiri dapat membatasi penggunaannya.

Matriks ekstraseluler katup jantung terdiri dari kolagen fibrosa dan makromolekul elastin, proteoglikan dan glikoprotein. Kolagen menyumbang 60% dari berat kering katup, elastin sebesar 10% dan proteoglikan sebesar 20%. Komponen kolagen memberikan stabilitas mekanis utama katup dan diwakili oleh kolagen tipe I (74%), II (24%) dan V (2%). Berkas benang kolagen dikelilingi oleh selubung elastin, yang memediasi interaksi di antara mereka. Rantai samping glikosaminoglikan dari molekul proteoglikan cenderung membentuk zat seperti gel di mana molekul matriks lainnya berinteraksi untuk membentuk ikatan permanen dan komponen lainnya diendapkan. Glikosaminoglikan katup jantung manusia sebagian besar terdiri dari asam hialuronat, pada tingkat yang lebih rendah dari dermatan sulfat, kondroitin-4-sulfat dan kondroitin-6-sulfat, dengan jumlah heparan sulfat yang minimal. Remodeling dan pembaruan jaringan matriks diatur oleh metaloproteinase matriks (MMP) dan inhibitor jaringannya (TI). Molekul-molekul ini juga terlibat dalam berbagai proses fisiologis dan patologis. Beberapa metaloproteinase, termasuk kolagenase interstisial (MMP-1, MMP-13) dan gelatinase (MMP-2, MMP-9) dan inhibitor jaringannya (TI-1, TI-2, TI-3), ditemukan di semua katup jantung. Produksi metaloproteinase yang berlebihan merupakan ciri khas kondisi patologis katup jantung.

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

Katup jantung dan struktur morfologinya

Katup jantung terdiri dari tiga lapisan matriks daun yang secara morfologis berbeda dan secara fungsional signifikan: fibrosa, spons, dan ventrikel.

Lapisan fibrosa membentuk kerangka tahan beban untuk daun katup, yang terdiri dari lapisan serat kolagen. Serat-serat ini tersusun secara radial dalam lipatan untuk memungkinkan katup arteri meregang saat menutup. Lapisan fibrosa terletak di dekat permukaan luar katup ini. Lapisan fibrosa katup atrioventrikular berfungsi sebagai kelanjutan dari berkas kolagen korda tendinea. Lapisan ini terletak di antara lapisan spons (masuk) dan ventrikel (keluar).

Di antara lapisan fibrosa dan ventrikel terdapat lapisan spons (spongiosa). Lapisan spons terdiri dari jaringan ikat yang tidak terorganisir dengan baik dalam media yang kental. Komponen matriks yang dominan dari lapisan ini adalah proteoglikan dengan kolagen yang berorientasi acak dan lapisan tipis elastin. Rantai samping molekul proteoglikan membawa muatan negatif yang kuat, yang memengaruhi kemampuan tinggi mereka untuk mengikat air dan membentuk gel matriks berpori. Lapisan spons dari matriks mengurangi tekanan mekanis pada daun katup jantung dan mempertahankan fleksibilitasnya.

Lapisan ventrikel jauh lebih tipis daripada yang lain dan kaya akan serat elastis yang memungkinkan jaringan menahan deformasi konstan. Elastin memiliki struktur spons yang mengelilingi dan menghubungkan serat kolagen dan mempertahankannya dalam keadaan lipatan netral. Lapisan masuk katup (ventrikular - untuk katup arteri dan spons - untuk atrioventrikular) mengandung lebih banyak elastin daripada saluran keluar, yang menyediakan pelunakan kejutan hidrolik saat katup menutup. Hubungan antara kolagen dan elastin ini memungkinkan katup meregang hingga 40% tanpa deformasi yang stabil. Saat terkena beban kecil, struktur kolagen lapisan ini berorientasi ke arah beban, dan ketahanannya terhadap pertumbuhan beban lebih lanjut meningkat.

Dengan demikian, gagasan tentang katup jantung sebagai duplikasi endokardium sederhana tidak hanya disederhanakan tetapi juga pada dasarnya tidak tepat. Katup jantung adalah organ kompleks yang mencakup serat otot lurik, pembuluh darah dan limfatik, serta elemen saraf. Baik dalam struktur maupun fungsinya, katup merupakan bagian integral dari semua struktur jantung. Analisis fungsi katup normal harus memperhitungkan organisasi selulernya, serta interaksi sel satu sama lain dan matriks. Pengetahuan yang diperoleh dari penelitian tersebut menjadi yang terdepan dalam desain dan pengembangan prostetik katup menggunakan rekayasa jaringan.