Künstliche Herzklappen

Moderne, für den klinischen Gebrauch verfügbare biologische künstliche Herzklappen, mit Ausnahme von Lungen-Autotransplantaten, sind nicht-lebensfähige Strukturen, denen das Potential für Wachstum und Gewebereparatur fehlt. Dies führt zu erheblichen Einschränkungen ihrer Verwendung, insbesondere bei Kindern bei der Korrektur der Klappenpathologie. Tissue Engineering wurde in den letzten 15 Jahren gegründet. Der Zweck dieser wissenschaftlichen Richtung ist die Schaffung künstlicher Bedingungen solcher Strukturen wie künstliche Herzklappen mit einer thrombo-resistenten Oberfläche und lebensfähigem Interstitium.

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Wie werden künstliche Herzklappen entwickelt?

Wissenschaftliches Konzept der Gewebetechnik basiert auf der Idee des Absetzens und Kultivierung von lebenden Zellen (Fibroblasten, Stammzellen, etc.) in einem synthetischen oder natürlichem resorbierbaren Skelett (Matrix), welche eine dreidimensionale Ventilstruktur, sowie die Verwendung von Signalen, die die Expression von Genen, die Organisation und die Produktivität zu regulieren transplantierte Zellen während der Zeit der Bildung der extrazellulären Matrix.

Solche künstlichen Herzklappen werden in das Gewebe des Patienten zur endgültigen Wiederherstellung und weiteren Aufrechterhaltung seiner Struktur und Funktion integriert. Gleichzeitig bildet sich auf der Ausgangsmatrix durch die Funktion von Zellen (Fibroblasten, Myofibroblasten etc.) ein neues Kollagen-Elastin-Gerüst oder genauer gesagt eine extrazelluläre Matrix. Infolgedessen sollten optimale künstliche Herzklappen, die durch die Tissue-Engineering-Methode geschaffen wurden, sich aufgrund ihrer anatomischen Struktur und Funktion dem nativen annähern und auch biomechanische Anpassungsfähigkeit, Reparaturfähigkeit und Wachstum besitzen.

Tissue Engineering entwickelt künstliche Herzklappen mit verschiedenen Quellen der Zellernte. Somit können xenogene oder allogene Zellen verwendet werden, obwohl die ersteren mit dem Risiko eines Zoonosetransports für Menschen verbunden sind. Eine Verminderung der Antigenität und Verhinderung von Abstoßungsreaktionen des Organismus ist durch genetische Veränderung allogener Zellen möglich. Tissue Engineering benötigt eine zuverlässige Quelle für die Zellproduktion. Diese Quelle sind autogene Zellen, die direkt vom Patienten entnommen werden und keine Immunreaktionen während der Reimplantation hervorrufen. Effektive künstliche Herzklappen werden auf der Basis von autologen Zellen hergestellt, die aus Blutgefäßen (Arterien und Venen) stammen. Um reine Zellkulturen zu erhalten, wurde eine Methode entwickelt, die auf der Verwendung der fluoreszenzaktivierten Zellsortierung (FACS) basiert. Eine gemischte Zellpopulation, die aus einem Blutgefäß stammt, wird mit einem acetylierten Lipoproteinmarker niedriger Dichte markiert, der selektiv an der Oberfläche der Endothelozyten adsorbiert wird. Endothelocyten können anschließend leicht von der Masse der Zellen, die aus den Gefäßen stammen, getrennt werden, was durch eine Mischung von glatten Muskelzellen, Myofibroblasten und Fibroblasten repräsentiert wird. Eine Quelle von Zellen, sei es eine Arterie oder eine Vene, beeinflusst die Eigenschaften der endgültigen Struktur. So übertreffen künstliche Herzklappen mit einer Matrix, die mit venösen Zellen gesättigt ist, in Bezug auf den Grad der Kollagenbildung und mechanischen Stabilität die Strukturen, die von arteriellen Zellen ausgesät werden. Die Wahl der peripheren Venen scheint eine bequemere Quelle der Zellernte zu sein.

Myofibroblasten können auch aus den Halsschlagadern entnommen werden. Gleichzeitig unterscheiden sich die aus den Gefäßen gewonnenen Zellen wesentlich von ihren natürlichen interstitiellen Zellen. Autologe Nabelschnurzellen können als alternative Zellquelle verwendet werden.

Künstliche Herzklappen basierend auf Stammzellen

Der Fortschritt des Tissue Engineering in den letzten Jahren wird durch die Stammzellenforschung erleichtert. Die Verwendung von Stammzellen aus rotem Knochenmark hat seine Vorteile. Insbesondere erlaubt die Einfachheit der Biomaterial-Probennahme und der In-vitro-Kultivierung mit anschließender Differenzierung in verschiedene Arten von Mesenchymzellen die Verwendung intakter Gefäße zu vermeiden. Stammzellen sind pluripotente Quellen von Zellkeimen und haben einzigartige immunologische Eigenschaften, die zu ihrer Stabilität unter allogenen Bedingungen beitragen.

Menschliche Knochenmarkstammzellen werden durch Sternalpunktion oder Punktion des Beckenkamms erhalten. Sie werden aus 10-15 ml Sternumaspirat isoliert, von anderen Zellen getrennt und kultiviert. Nach der gewünschten Zellzahl erreicht (üblicherweise innerhalb von 21-28 Tagen) produzieren ihre Aussaat (Kolonisierung) in der Matrix in dem Medium in einer statischen Position kultiviert wird (für 7 Tage in einem befeuchteten Inkubator bei 37 ° C in Gegenwart von 5% CO2). Die weitere Stimulation des Zellwachstums erfolgt durch ein kommerzielles Medium (biologische Stimuli) oder durch die Schaffung physiologischer Bedingungen für das Gewebewachstum mit isometrischer Verformung in einem Reproduktionsapparat mit pulsierender Strömung - einem Bioreaktor (mechanische Reize). Fibroblasten sind empfindlich gegenüber mechanischen Reizen, die ihr Wachstum und ihre funktionelle Aktivität fördern. Die pulsierende Strömung bewirkt eine Zunahme sowohl der radialen als auch der umlaufenden Verformungen, was zu einer Orientierung (Dehnung) der besiedelten Zellen in der Wirkungsrichtung solcher Spannungen führt. Dies führt wiederum zur Bildung von orientierten Faserstrukturen der Klappen. Ein konstanter Fluss verursacht nur tangentiale Spannungen an den Wänden. Die pulsierende Strömung wirkt sich vorteilhaft auf die Zellmorphologie, Proliferation und die Zusammensetzung der extrazellulären Matrix aus. Die Art der Strömung des Nährmediums, die physikalisch-chemischen Bedingungen (pH, pO2 und pCO2) im Bioreaktor beeinflussen ebenfalls signifikant die Produktion von Kollagen. So erhöhen laminare, zyklische Wirbelströme die Produktion von Kollagen, was zu verbesserten mechanischen Eigenschaften führt.

Ein anderer Ansatz bei wachsenden Gewebestrukturen besteht darin, embryonale Bedingungen im Bioreaktor zu schaffen, anstatt die physiologischen Bedingungen des menschlichen Körpers zu modellieren. Auf der Basis von Stammzellen kultiviert, haben Gewebekatalysatoren bewegliche und Kunststoffventile, die sich funktionell gut verhalten, wenn sie hohem Druck und einer Strömung ausgesetzt werden, die das physiologische Niveau übersteigt. Histologische und histochemische Untersuchungen der Blättchen dieser Strukturen zeigten die Anwesenheit von aktiv fortschreitenden biologischen Abbauprozessen der Matrix und deren Ersatz durch lebensfähiges Gewebe. Das Gewebe ist in einem laminierten Typ mit den Eigenschaften von extrazellulären Matrixproteinen organisiert, ähnlich zu den Eigenschaften von nativem Gewebe durch die Gegenwart von Kollagen vom Typ I und III und Glykosaminoglykanen. Eine typische dreischichtige Struktur der Klappen - ventrikuläre, schwammige und faserige Schichten - wurde jedoch nicht erhalten. In allen Fragmenten gefunden, zeigten ASMA-positive Zellen, die Vimentin exprimierten, Eigenschaften, die den Eigenschaften von Myofibroblasten ähnlich waren. Elektronenmikroskopie der Zellelemente wurden gefunden als charakteristisch von lebensfähigen, aktiv sekretorischen Myofibroblasten (Actin / Myosin-Filament, Garn Kollagen, Elastin) und auf der Gewebeoberfläche - Endothelzellen.

Halsbänder von I, III-Typen, ASMA und Vimentin wurden an den Ventilen gefunden. Die mechanischen Eigenschaften der Flügel des Gewebes und der nativen Strukturen waren vergleichbar. Gewebekünstliche Herzklappen zeigten über 20 Wochen eine hervorragende Leistung und ähnelten natürlichen anatomischen Strukturen hinsichtlich ihrer Mikrostruktur, ihres biochemischen Profils und der Bildung einer Proteinmatrix.

Alle künstlichen Herzklappen, die durch das Tissue Engineering erhalten wurden, wurden vom Tier in die Lungenposition implantiert, da ihre mechanischen Eigenschaften nicht den Belastungen in der Aortenposition entsprechen. Die von Tieren implantierten Gewebeklappen sind strukturell in ihrer Struktur denen der nativen ähnlich, was ihre weitere Entwicklung und Umlagerung unter In-vivo-Bedingungen anzeigt. Ob der Prozess der Geweberestrukturierung und -reifung unter physiologischen Bedingungen fortgeführt wird, nachdem künstliche Herzklappen implantiert wurden, wie in Tierversuchen beobachtet, werden weitere Studien zeigen.

Die idealen künstlichen Herzklappen eine Porosität von nicht weniger als 90% haben sollte, weil es für das Zellwachstum, die Lieferung von Nährstoffen und Entfernung von Zellstoffwechselprodukte, Neben der Biokompatibilität und biologische Abbaubarkeit, künstliche Herzklappen sollten Zelloberfläche wichtig zu impfen haben chemisch günstig und entsprechen mechanisch Eigenschaften von natürlichem Gewebe. Der Grad des biologischen Abbaus der Matrix muss kontrolliert und proportional zum Grad der Bildung des neuen Gewebes sein, um eine Garantie der mechanischen Stabilität für eine bestimmte Zeit zu gewährleisten.

Gegenwärtig werden synthetische und biologische Matrices entwickelt. Die gebräuchlichsten biologischen Materialien zur Herstellung von Matrizen sind anatomische Strukturen des Spenders, Kollagen und Fibrin. Künstliche Polymerherzklappen werden nach der Implantation biologisch abgebaut, sobald die implantierten Zellen beginnen, ihr eigenes extrazelluläres Matrixnetzwerk zu erzeugen und zu organisieren. Die Bildung eines neuen Matrixgewebes kann durch Wachstumsfaktoren, Zytokine oder Hormone reguliert oder stimuliert werden.

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Spender künstliche Herzklappen

Gespendete künstliche Herzklappen, die von Menschen oder Tieren stammen und keine Zellantigene aufweisen, durch Dezellularisierung, um ihre Immunogenität zu verringern, können als Matrizen verwendet werden. Die konservierten Proteine der extrazellulären Matrix sind die Grundlage für die nachfolgende Adhäsion der ausgesäten Zellen. Es gibt folgende Methoden, um die zellulären Elemente zum Entfernen (atsellyulyarizatsii): Gefrieren, Behandlung Trypsin / EDTA, Waschmittel- - Natriumdodecylsulfat, Natrium deoksikolatom, Triton X-100, MEGA 10, TnBR CHAPS, Tween 20, sowie mehrstufige enzymatische Behandlungsmethoden. Dies entfernt die Zellmembranen, Nukleinsäuren, Lipiden, zytoplasmatische Strukturen und lösliche Matrixmoleküle mit der Erhaltung von Kollagen und Elastin. Eine ideale Methode wurde jedoch noch nicht gefunden. Nur Dodecylnatriumsulfat (0,03-1%) oder Natriumdeoxycolat (0,5-2%) führte nach 24-stündiger Behandlung zur vollständigen Entfernung der Zellen.

Die histologische Untersuchung Fern detsellyulyarizovannyh bioklapanov (Allograft und Xenotransplantat) in Versuchstieren (Hunde und Schweine) hat gezeigt, dass es ein teilweise Einwachsen und Endothelialisierung Myofibroblasten Empfänger pro Basis, keine Anzeichen von Verkalkung. Mäßig ausgeprägte entzündliche Infiltration wurde festgestellt. In klinischen Studien mit der dezellularisierten SynerGraftTM-Klappe entwickelte sich jedoch eine frühe Insuffizienz. In der Matrix der Bioprothese wurde eine ausgeprägte Entzündungsreaktion festgestellt, die zunächst unspezifisch war und von einer lymphozytischen Reaktion begleitet wurde. Dysfunktion und Degeneration der Bioprothese entwickelten sich innerhalb eines Jahres. Zellbesiedlung wurde in Zellen nicht beobachtet, jedoch wurden Verkalkungen von Klappen und Präimplantationszelltrümmern nachgewiesen.

Endotheliale Zellen beimpft azelluläre Matrix kultiviert und in in-vitro- und in-vivo-Bedingungen, um eine zusammenhängende Schicht auf der Oberfläche der Klappen gebildet ist, und interstitiellen Zellen beimpft native Struktur zeigten ihre Fähigkeit zur Differenzierung. Um jedoch die gewünschte physiologische Ebene der Kolonisation in den Matrixzellen in dynamischen Bedingungen des Bioreaktors, und die implantierten künstlichen Herzklappen wurden von schnell genug begleitet (drei Monaten) Verdickung durch beschleunigte Zellproliferation und extrazelluläre Matrixbildung gescheitert zu erreichen. In diesem Stadium Somit hat die Verwendung von Spendern azellulären Matrizes für ihre Besiedelung durch Zellen, die eine Reihe von ungelösten Problemen einschließlich 8 immunologische und infektiöse Natur des Arbeit detsellyulyarizovannymi Bioprothesen fortgesetzt.

Es ist anzumerken, dass Kollagen auch eines der möglichen biologischen Materialien für die Herstellung von biologisch abbaubaren Matrices ist. Es kann in Form von Schaum, Gel oder Platten, Schwämmen und als Vorform auf einer Faserbasis verwendet werden. Die Verwendung von Kollagen ist jedoch mit einer Reihe von technologischen Schwierigkeiten verbunden. Insbesondere ist es schwierig, von dem Patienten zu erhalten. Daher sind die meisten Kollagenmatrizes zur Zeit tierischen Ursprungs. Der verzögerte biologische Abbau von tierischem Kollagen kann ein erhöhtes Zoonose-Infektionsrisiko mit sich bringen und immunologische und entzündliche Reaktionen hervorrufen.

Fibrin ist ein anderes biologisches Material mit kontrollierten Eigenschaften des biologischen Abbaus. Da Fibringele aus dem Blut des Patienten für die anschließende Herstellung einer autologen Matrix hergestellt werden können, verursacht die Implantation einer solchen Struktur keinen toxischen Abbau und keine entzündliche Reaktion. Fibrin hat jedoch solche Nachteile wie Diffusion und Auslaugen in die Umgebung und geringe mechanische Eigenschaften.

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Künstliche Herzklappen aus synthetischen Materialien

Künstliche Herzklappen werden ebenfalls aus synthetischen Materialien hergestellt. Mehrere Versuche Ventile Matrices wurden basierend auf der Verwendung von Polyglactin, Polyglycolsäure (PGA), polilakticheskoy Säure (PLA), einem Copolymeren von PGA und PLA (PLGA) und Polyhydroxyalkanoate (PHA) herzustellen. Das hochporöse synthetische Material kann aus gewebten oder nichtgewebten Fasern und unter Verwendung der Salzlaugungstechnologie erhalten werden. Ein vielversprechendes Verbundmaterial (PGA / P4HB) für die Herstellung von Matrizen wurde aus unbeschichteten Polyglycolsäure (PGA) -Schlaufen erhalten, die mit Poly-4-hydroxybutyrat (P4HB) beschichtet waren. Die hergestellten künstlichen Herzklappen aus diesem Material sind mit Ethylenoxid sterilisiert. Die beträchtliche anfängliche Steifheit und Dicke der Schleifen dieser Polymere, ihr schneller und unkontrollierter Abbau, begleitet von der Freisetzung von sauren cytotoxischen Produkten, erfordern jedoch weitere Forschung und die Suche nach anderen Materialien.

Verwendung von autologem Gewebe Kultur Platten Myofibroblasten auf einem Rahmen kultiviert eine Trägermatrix zu bilden, indem die Produktion dieser Zellen zu stimulieren ergab Proben mit aktiven Ventile lebensfähig durch extrazelluläre Matrix umgeben Zellen. Die mechanischen Eigenschaften der Gewebe dieser Ventile sind jedoch für ihre Implantation nicht ausreichend.

Das notwendige Ausmaß der Proliferation und Regeneration des Gewebes der erzeugten Klappe kann nicht erreicht werden, indem nur die Zellen und die Matrix kombiniert werden. Die Expression des Zellgens und der Gewebebildung kann durch Zugabe von Wachstumsfaktoren, Zytokinen oder Hormonen, mitogenen Faktoren oder Adhäsionsfaktoren in Matrizen und Matrizen reguliert oder stimuliert werden. Die Möglichkeit, diese Regulatoren in die Biomaterialien der Matrix einzuführen, wird untersucht. Im Allgemeinen gibt es einen signifikanten Mangel an Forschung über die Regulierung des Prozesses der Bildung von Gewebsventilen durch biochemische Stimuli.

Azelluläre Schweine heterologe Matrix P Lungen Bioprothese durch ein spezielles patentierten Autotissue GmbH Verfahren, bestehend aus Antibiotika-Behandlung, Natriumdeoxycholat und Alkohol Diese Verarbeitungsmethode angenommen von der Internationalen Organisation für Normung behandelt detsellyulyarizovannoy Stoff umfasst, beseitigt alle lebenden Zellen und postkletochnye Struktur (Fibroblasten, Endothelzellen, Bakterien, Viren, Pilze, Mykoplasmen) behalten Architektur der extrazellulären Matrix, er die Ebene von DNA und RNA in dem Gewebe reduziert minim mA, die die Wahrscheinlichkeit einer Übertragung von porcinen endogenen Retrovirus (PERV) Person auf Null reduziert. Die Matrix P-Bioprothese besteht ausschließlich aus Kollagen und Elastin mit erhaltener struktureller Integration.

Bei Versuchen an Schafen wurde 11 Monate nach der Implantation der Matrix R-Bioprothese eine minimale Reaktion aus dem umgebenden Gewebe mit guten Überlebensindizes aufgezeichnet, die sich insbesondere in der glänzenden Innenfläche des Endokards zeigten. In der Tat gab es keine entzündlichen Reaktionen, Verdickung und Verkürzung der Klappen. Ein niedriger Calciumgehalt des Matrix-P-Bioprothesengewebes wurde ebenfalls aufgezeichnet, der Unterschied war im Vergleich zum behandelten Glutaraldehyd statistisch signifikant.

Künstliche Herzklappen Matrix P passt sich nach der Implantation für mehrere Monate an die individuellen Bedingungen des Patienten an. In der Studie wurde nach Ablauf der Kontrollperiode eine intakte extrazelluläre Matrix und ein Drainendothel identifiziert. Xenografts Matrix R in Schritt implantiert Ross 2002-2004 bei 50 Patienten mit angeborenen Defekten in der Zeit durchgeführt wird, hat im Vergleich eine überlegene Leistung und niedriger transvalvularen Druckgradienten gezeigt mit kryokonservierten und detsellyulyarizovannymi Allograft SynerGraftMT und rahmenlos mit Glutaraldehyd behandelt Bioprothesen. Matrix P Künstliche Herzklappen für die Lungenarterie Klappenersatz bei der Rekonstruktion des rechten Ausflußtrakt in der Chirurgie von angeborenen und erworbenen Defekten und die Pulmonalklappe Prothese an der Ross-Operation, in vier Größen erhältlich (Innendurchmesser): Kleinkind (15-17 mm ), für Kinder (18-21 mm), Mittelohr (22-24 mm) und Erwachsene (25-28 mm).

Fortschritte bei der Entwicklung der Ventile auf der Basis des Tissue Engineering hängen vom Erfolg des Ventil Zellbiologie (einschließlich Genexpression Fragen und Regulierung), die Untersuchung von embryo und Alter der Ventile (einschließlich angiogenen und neurogene Faktoren), die genauen Kenntnis der Biomechanik jeden Ventils, identifizieren ausreichend für Zellen Einschwingzeit Entwicklung optimaler Matrizen. Für die weitere Entwicklung von fortgeschrittenen Gewebeklappen, ein vollständigeres Verständnis der Beziehung zwischen den mechanischen und strukturellen Eigenschaften der natürlichen Klappe und Anreize (biologisch oder mechanisch), diese Eigenschaften in vitro zu reproduzieren.

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