Katup jantung buatan

Modern, tersedia untuk penggunaan klinis, katup jantung buatan manusia, kecuali autograft paru, adalah struktur yang tidak dapat bertahan yang tidak memiliki potensi pertumbuhan dan perbaikan jaringan. Ini memberlakukan pembatasan yang signifikan pada penggunaannya, terutama pada anak-anak dalam koreksi patologi katup. Rekayasa jaringan telah terbentuk selama 15 tahun terakhir. Tujuan dari arah ilmiah ini adalah penciptaan dalam kondisi buatan dari struktur seperti katup jantung buatan dengan permukaan tahan trombo dan interstitium yang layak.

[1], [2],

Bagaimana katup jantung buatan dikembangkan?

Konsep ilmiah teknik jaringan didasarkan pada gagasan kolonisasi dan pertumbuhan sel hidup (fibroblas, sel induk, dan lain-lain) dalam kerangka resorbable sintetis atau alami, yaitu struktur katup tiga dimensi, dan penggunaan sinyal yang mengatur ekspresi gen, organisasi dan produktivitas transplantasi. Sel selama periode pembentukan matriks ekstraselular.

Katup jantung buatan tersebut diintegrasikan dengan jaringan pasien untuk restorasi akhir dan pemeliharaan struktur dan fungsinya lebih lanjut. Pada saat yang sama, kerangka kolagenoelastine baru atau, lebih tepatnya lagi, matriks ekstraselular terbentuk pada matriks awal sebagai hasil dari berfungsinya sel (fibroblas, myofibroblast, dll.). Akibatnya, katup jantung buatan yang optimal yang diciptakan oleh metode rekayasa jaringan harus, oleh struktur anatomis dan fungsinya, mendekati yang asli, dan juga memiliki kemampuan adaptasi biomekanik, kemampuan untuk memperbaiki dan menumbuhkan.

Rekayasa jaringan mengembangkan katup jantung buatan dengan menggunakan berbagai sumber pemanenan sel. Dengan demikian, sel xenogeneic atau allogeneic dapat digunakan, walaupun yang pertama dikaitkan dengan risiko transportasi zoonosis ke manusia. Untuk mengurangi antigenisitas dan mencegah reaksi penolakan organisme dimungkinkan oleh modifikasi genetik sel allogeneic. Rekayasa jaringan memerlukan sumber produksi sel yang andal. Sumber ini adalah sel autogenous yang diambil langsung dari pasien dan tidak memberikan respon imun selama reimplantasi. Katup jantung buatan yang efektif diproduksi berdasarkan sel autolog yang berasal dari pembuluh darah (arteri dan vena). Untuk mendapatkan kultur sel murni, metode yang didasarkan pada penggunaan fluorescent activated cell sorting (FACS) telah dikembangkan. Populasi sel campuran yang berasal dari pembuluh darah diberi label dengan penanda lipoprotein berkapasitas asetil, low density, yang diserap secara selektif pada permukaan endotheliocytes. Endotheliosit kemudian dapat dengan mudah dipisahkan dari sebagian besar sel yang berasal dari pembuluh, yang akan diwakili oleh campuran sel otot polos, myofibroblasts dan fibroblas. Sumber sel, apakah itu arteri atau vena, akan mempengaruhi sifat struktur akhir. Dengan demikian, katup jantung buatan dengan matriks ditaburkan dengan sel vena, dalam hal tingkat pembentukan kolagen dan stabilitas mekanis, melampaui struktur yang ditaburkan oleh sel arteri. Pilihan pembuluh darah tepi tampaknya menjadi sumber pemanenan sel yang lebih nyaman.

Myofibroblas juga bisa diambil dari arteri karotis. Pada saat yang sama, sel yang diperoleh dari pembuluh dasarnya berbeda dari sel interstisial alami mereka. Sel tali pusat autologous dapat digunakan sebagai sumber sel alternatif.

Katup jantung buatan berdasarkan sel punca

Kemajuan teknik jaringan dalam beberapa tahun terakhir difasilitasi oleh penelitian sel punca. Penggunaan sel punca sumsum tulang merah memiliki kelebihan. Secara khusus, kesederhanaan pengambilan sampel biomaterial dan in vitro dengan diferensiasi berikutnya ke dalam berbagai jenis sel mesenkim memungkinkan untuk menghindari penggunaan bejana utuh. Sel induk adalah sumber kuman sel pluripoten, memiliki karakteristik imunologis yang unik yang berkontribusi terhadap stabilitas mereka dalam kondisi allogeneic.

Sel induk sumsum tulang manusia diperoleh dengan tusukan sternal atau tusukan iliaka. Mereka diisolasi dari 10-15 ml aspirasi sternum, dipisahkan dari sel lain dan dikultur. Setelah mencapai jumlah sel yang dibutuhkan (biasanya 21-28 hari), mereka diinokulasi (dijajah) pada matriks, dikultur dalam medium nutrisi dalam posisi statis (selama 7 hari dalam inkubator yang dilembabkan pada suhu 37 ° C dengan adanya 5% CO2). Stimulasi pertumbuhan sel lebih lanjut dilakukan melalui media komersial (rangsangan biologis) atau melalui penciptaan kondisi fisiologis untuk pertumbuhan jaringan dengan deformasi isometrik pada aparatus reproduksi dengan aliran berdenyut - bioreaktor (rangsangan mekanis). Fibroblas sensitif terhadap rangsangan mekanis yang mendorong pertumbuhan dan aktivitas fungsional mereka. Aliran berdenyut menyebabkan peningkatan deformasi radial dan keliling, yang menyebabkan orientasi (perpanjangan) sel padat ke arah aksi tekanan tersebut. Hal ini menyebabkan, pada gilirannya, pembentukan struktur serat yang berorientasi pada flaps. Aliran konstan hanya menyebabkan tegangan tangensial pada dinding. Aliran berdenyut memiliki efek menguntungkan pada morfologi sel, proliferasi dan komposisi matriks ekstraselular. Sifat aliran media nutrisi, kondisi fisiko-kimia (pH, pO2 dan pCO2) di bioreaktor juga berpengaruh signifikan terhadap produksi kolagen. Jadi, aliran laminar, arus eddy siklik meningkatkan produksi kolagen, yang menyebabkan meningkatnya sifat mekanik.

Pendekatan lain dalam menumbuhkan struktur jaringan adalah dengan menciptakan kondisi embrio dalam bioreaktor daripada memodelkan kondisi fisiologis tubuh manusia. Dibudidayakan berdasarkan sel punca, bioclaps jaringan memiliki katup bergerak dan plastik yang berfungsi secara fungsional saat terkena tekanan tinggi dan aliran melebihi tingkat fisiologis. Studi histologis dan histokimia dari selebaran struktur ini menunjukkan adanya proses regenerasi biodegradasi secara aktif dan penggantiannya melalui jaringan yang layak. Jaringan ini disusun dalam tipe laminasi dengan karakteristik protein matriks ekstraselular, serupa dengan karakteristik jaringan asli dengan adanya kolagen tipe I dan III dan glikosaminoglikan. Namun, struktur tiga lapis berlapis katup - lapisan ventrikel, spons dan berserat - tidak diperoleh. Ditemukan di semua fragmen, sel positif ASMA yang mengekspresikan vimentin memiliki karakteristik yang mirip dengan karakteristik myofibroblasts. Mikroskop elektron mengungkapkan unsur seluler dengan karakteristik karakteristik myofibroblas aktif, sekresi aktif (filamen aktin / myosin, filamen kolagen, elastin), dan sel endotel pada permukaan jaringan.

Tipe kerah I, III, ASMA dan vimentin ditemukan di katup. Sifat mekanik sayap jaringan dan struktur asli sebanding. Jaringan katup jantung buatan menunjukkan kinerja yang sangat baik selama 20 minggu dan menyerupai struktur anatomi alami untuk struktur mikro, profil biokimia dan pembentukan matriks protein.

Semua katup jantung buatan, yang diperoleh dengan metode teknik jaringan, ditanamkan ke dalam posisi paru oleh hewan, karena karakteristik mekanisnya tidak sesuai dengan beban pada posisi aorta. Katup jaringan yang ditanamkan dari hewan secara struktural serupa dengan strukturnya pada bangunan asli, yang mengindikasikan pengembangan dan penataan ulang lebih lanjut dalam kondisi in vivo. Apakah proses restrukturisasi jaringan dan pematangan akan berlanjut dalam kondisi fisiologis setelah katup jantung buatan diimplantasikan, seperti yang diamati pada percobaan hewan, penelitian lebih lanjut akan ditunjukkan.

Katup jantung buatan ideal harus memiliki porositas paling sedikit 90%, karena ini penting untuk pertumbuhan sel, pengiriman nutrisi dan pemindahan produk metabolisme sel. Selain biokompatibilitas dan biodegradabilitas, katup jantung buatan harus memiliki permukaan yang secara kimia menguntungkan untuk menabur sel dan sesuai dengan mekanis. Sifat jaringan alami. Tingkat biodegradasi matriks harus dikontrol dan sebanding dengan tingkat pembentukan jaringan baru untuk menjamin jaminan stabilitas mekanik untuk waktu tertentu.

Saat ini, matriks sintetis dan biologi sedang dikembangkan. Bahan biologis yang paling umum untuk membuat matriks adalah struktur anatomi donor, kolagen dan fibrin. Katup katup buatan buatan polimer dirancang untuk melakukan biodegradasi setelah implantasi segera setelah sel implan mulai memproduksi dan mengatur jaringan matriks ekstraselular mereka sendiri. Pembentukan jaringan matriks baru dapat diatur atau dirangsang oleh faktor pertumbuhan, sitokin atau hormon.

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

Katup jantung buatan donor

Menyumbangkan katup jantung buatan yang berasal dari manusia atau hewan dan tidak memiliki antigen sel dengan dekelirisasi untuk mengurangi imunogenisitasnya dapat digunakan sebagai matriks. Protein yang diawetkan dari matriks ekstraselular adalah dasar adhesi berikutnya dari sel-sel yang ditaburkan. Ada berikut metode untuk menghapus elemen selular (atsellyulyarizatsii): pembekuan, pengobatan tripsin / EDTA, deterjen - natrium dodesil sulfat, natrium deoksikolatom, Triton X-100, MEGA 10, TNBR CHAPS, Tween 20, serta metode pengobatan enzimatik multi-langkah. Pada saat yang sama, membran sel, asam nukleat, lipid, struktur sitoplasma dan molekul matriks larut dipertahankan, sementara kolagen dan elastin dipertahankan. Namun, metode ideal belum ditemukan. Hanya dodesil sulfat sulfat (0,03-1%) atau natrium deoksikolat (0,5-2%) yang mengakibatkan pemindahan sel lengkap setelah 24 jam pengobatan.

Pemeriksaan histologis terpencil bioklapanov detsellyulyarizovannyh (allograft dan xenograft) pada hewan percobaan (anjing dan babi) telah menunjukkan bahwa ada pertumbuhan ke dalam parsial dan endothelialization myofibroblasts penerima per dasar, tidak ada tanda-tanda kalsifikasi. Infiltrasi peradangan yang cukup parah dicatat. Namun, dalam uji klinis katup SynerGraftTM decellularized, insufisiensi awal dikembangkan. Dalam matriks bioprostesis, reaksi inflamasi yang diucapkan ditentukan, yang pada awalnya tidak spesifik dan disertai reaksi limfositik. Disfungsi dan degenerasi bioprostesis berkembang dalam waktu satu tahun. Kolonisasi sel tidak diamati pada sel, namun kalsifikasi katup dan puing-puing sel praimplantasi terdeteksi.

Sel bebas sel, yang diunggulkan dengan sel endotel dan dikultivasi dalam kondisi in vitro dan in vivo, membentuk lapisan integral pada permukaan katup, dan sel interstisial yang diseberang dari struktur asli menunjukkan kemampuan mereka untuk berdiferensiasi. Namun, tidak mungkin untuk mencapai tingkat fisiologis kolonisasi sel yang diperlukan pada matriks di bawah kondisi bioreaktor yang dinamis, dan katup jantung buatan implan disertai penebalan yang cukup cepat (tiga bulan) karena proliferasi sel yang dipercepat dan pembentukan matriks ekstraselular. Dengan demikian, pada tahap ini, penggunaan matriks bebas sel donor untuk kolonisasi mereka oleh sel memiliki sejumlah masalah yang belum terselesaikan, 8 termasuk sifat imunologis dan menular, pekerjaan pada bioprostheses kontroversial berulang berlanjut.

Perlu dicatat bahwa kolagen juga merupakan salah satu bahan biologis potensial untuk pembuatan matriks yang mampu melakukan biodegradasi. Ini bisa digunakan dalam bentuk busa, gel atau piring, spons dan sebagai bentuk awal pada basis serat. Namun, penggunaan kolagen dikaitkan dengan sejumlah kesulitan teknologi. Secara khusus, sulit didapat dari pasien. Oleh karena itu, pada saat ini, sebagian besar matriks kolagen berasal dari hewan. Biodegradasi hewan kolagen yang tertunda dapat membawa peningkatan risiko infeksi zoonosis, menyebabkan respon imunologis dan inflamasi.

Fibrin adalah bahan biologi lain dengan karakteristik biodegradasi yang terkendali. Karena gel fibrin dapat dibuat dari darah pasien untuk pembuatan matriks autologous berikutnya, implantasi struktur semacam itu tidak akan menyebabkan degradasi toksik dan respons inflamasi. Namun, fibrin memiliki kekurangan seperti difusi dan pencucian ke lingkungan dan karakteristik mekanis rendah.

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

Katup jantung buatan terbuat dari bahan sintetis

Katup jantung buatan juga terbuat dari bahan sintetis. Beberapa upaya untuk membuat susunan katup didasarkan pada penggunaan poliglaktin, asam poliglikolat (PGA), asam polylactic (PLA), sebuah kopolimer PGA dan PLA (PLGA), dan polihidroksialkanoat (PHA). Bahan sintetis yang sangat berpori dapat diperoleh dari serat tenunan atau non-woven dan menggunakan teknologi pencucian garam. Bahan komposit yang menjanjikan (PGA / P4HB) untuk pembuatan matrik diperoleh dari loop asam poligongol tak berlapis (PGA) yang dilapisi dengan poli-4-hidroksibutirat (P4HB). Katup jantung buatan buatan dari bahan ini disterilkan dengan etilen oksida. Namun, kekakuan awal yang cukup dan ketebalan loop dari polimer ini, degradasi cepat dan tidak terkendali, disertai pelepasan produk sitotoksik asam, memerlukan penelitian lebih lanjut dan pencarian bahan lainnya.

Penggunaan pelat kultur jaringan dari myofibroblas autologous yang dikultur pada kerangka kerja untuk membentuk matriks pendukung dengan merangsang produksi sel-sel ini memungkinkan produksi sampel katup dengan sel aktif yang aktif dikelilingi oleh matriks ekstraselular. Namun, sifat mekanik dari jaringan katup ini tidak cukup untuk implantasi mereka.

Tingkat proliferasi dan regenerasi jaringan katup yang dihasilkan tidak dapat dicapai hanya dengan menggabungkan sel dan matriksnya. Ekspresi gen sel dan pembentukan jaringan dapat diatur atau distimulasi oleh penambahan faktor pertumbuhan, sitokin atau hormon, faktor mitogenik atau faktor adhesi pada matriks dan matriks. Kemungkinan untuk memperkenalkan regulator ini ke dalam biomaterial matriks sedang dipelajari. Secara umum, ada kurangnya penelitian mengenai pengaturan proses pembentukan katup jaringan dengan rangsangan biokimia.

Acellular babi heterolog Matrix P bioprosthesis paru terdiri kain detsellyulyarizovannoy diperlakukan dengan prosedur AutoTissue GmbH dipatenkan khusus yang terdiri dari pengobatan antibiotik, natrium deoksikolat dan alkohol metode pengolahan ini diadopsi oleh Organisasi Internasional untuk Standardisasi, menghilangkan semua sel hidup dan struktur postkletochnye (fibroblas, sel endotel, bakteri, virus, jamur, mikoplasma), mempertahankan arsitektur matriks ekstraselular, mengurangi tingkat DNA dan RNA dalam jaringan hingga min mA, yang mengurangi ke nol kemungkinan penularan endogen retrovirus (PERV) orang babi. Bioprosthesis Matrix P terdiri dari kolagen dan elastin dengan integrasi struktural yang terawetkan.

Selama percobaan pada domba, reaksi minimal dari jaringan di sekitarnya dicatat 11 bulan setelah implantasi bioprostesis Matrix R dengan indeks kelangsungan hidup yang baik, yang, khususnya, terwujud dalam permukaan inner endokardium yang mengkilap. Sebenarnya, tidak ada reaksi inflamasi, penebalan dan pemendekan flaps katup. Tingkat kalsium rendah dari jaringan bioprostesis Matrix P juga dicatat, perbedaannya secara statistik signifikan dibandingkan dengan glutaraldehida yang diobati.

Katup jantung buatan Matriks P menyesuaikan dengan kondisi individu pasien selama beberapa bulan setelah implantasinya. Dalam penelitian ini, setelah berakhirnya masa kontrol, matriks ekstraselular utuh dan tiriskan endotelium diidentifikasi. Xenograft Matrix R ditanamkan pada langkah Ross dilakukan pada 50 pasien dengan cacat bawaan pada periode 2002 sampai 2004, telah menunjukkan kinerja yang unggul dan gradien tekanan transvalvular lebih rendah dibandingkan dengan bioprostheses cryopreserved dan detsellyulyarizovannymi allograft SynerGraftMT, dan tanpa bingkai diobati dengan glutaraldehid. Matrix P katup buatan jantung untuk penggantian katup arteri pulmonalis selama rekonstruksi kanan saluran keluar ventrikel dalam operasi bawaan dan cacat yang diperoleh dan prosthesis katup paru pada prosedur Ross, tersedia dalam empat ukuran (diameter dalam): Bayi (15-17 mm ), untuk anak-anak (18-21 mm), menengah (22-24 mm) dan dewasa (25-28 mm).

Kemajuan dalam pengembangan katup atas dasar teknik jaringan akan tergantung pada keberhasilan biologi sel katup (termasuk isu-isu ekspresi gen dan regulasi), studi embriogenik dan umur katup (termasuk faktor angiogenik dan neurogenik), pengetahuan yang tepat dari biomekanik dari masing-masing katup, mengidentifikasi memadai untuk menyelesaikan sel pengembangan matrik optimal. Untuk lebih mengembangkan katup kain yang lebih baik, perlu dipahami sepenuhnya hubungan antara karakteristik mekanis dan struktural katup dan rangsangan asli (biologis dan mekanik) untuk menciptakan karakteristik ini secara in vitro.

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