Künstliche Herzklappen

Moderne biologische künstliche Herzklappen, die für den klinischen Einsatz verfügbar sind, sind, mit Ausnahme des Lungenautografts, nicht lebensfähige Strukturen ohne Wachstums- und Gewebereparationspotenzial. Dies schränkt ihre Anwendung, insbesondere bei Kindern, zur Korrektur von Klappenerkrankungen erheblich ein. Das Tissue Engineering hat sich in den letzten 15 Jahren weiterentwickelt. Ziel dieser wissenschaftlichen Richtung ist die Schaffung künstlicher Strukturen wie künstlicher Herzklappen mit thromboresistenter Oberfläche und lebensfähigem Interstitium unter künstlichen Bedingungen.

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Wie entstehen künstliche Herzklappen?

Das wissenschaftliche Konzept des Tissue Engineering basiert auf der Idee, lebende Zellen (Fibroblasten, Stammzellen usw.) in einem synthetischen oder natürlichen resorbierbaren Gerüst (Matrix) anzusiedeln und zu züchten, das eine dreidimensionale Ventilstruktur darstellt, sowie auf der Verwendung von Signalen, die die Genexpression, Organisation und Produktivität transplantierter Zellen während der Phase der Bildung der extrazellulären Matrix regulieren.

Solche künstlichen Herzklappen werden in das Gewebe des Patienten integriert, um ihre Struktur und Funktion endgültig wiederherzustellen und weiter zu erhalten. Dabei bildet sich durch die Funktion von Zellen (Fibroblasten, Myofibroblasten usw.) auf der ursprünglichen Matrix ein neues Kollagen-Elastin-Gerüst, genauer gesagt eine extrazelluläre Matrix. Optimale künstliche Herzklappen, die durch Tissue Engineering hergestellt werden, sollten daher hinsichtlich ihrer anatomischen Struktur und Funktion der natürlichen Herzklappe nahekommen und zudem über biomechanische Anpassungsfähigkeit, Reparationsfähigkeit und Wachstumsfähigkeit verfügen.

Im Rahmen des Tissue Engineering werden künstliche Herzklappen unter Verwendung verschiedener Zellquellen entwickelt. So können xenogene oder allogene Zellen verwendet werden, wobei erstere mit dem Risiko der Übertragung von Zoonosen auf den Menschen verbunden sind. Durch genetische Modifikation allogener Zellen ist es möglich, die Antigenität zu reduzieren und Abstoßungsreaktionen des Körpers zu verhindern. Das Tissue Engineering erfordert eine zuverlässige Zellquelle. Eine solche Quelle sind autologe Zellen, die direkt dem Patienten entnommen werden und bei der Reimplantation keine Immunreaktionen hervorrufen. Effektive künstliche Herzklappen werden auf Basis autologer Zellen hergestellt, die aus Blutgefäßen (Arterien und Venen) gewonnen werden. Zur Gewinnung reiner Zellkulturen wurde eine Methode entwickelt, die auf der fluoreszenzaktivierten Zellsortierung (FACS) basiert. Eine aus einem Blutgefäß gewonnene gemischte Zellpopulation wird mit einem acetylierten Low-Density-Lipoprotein-Marker markiert, der selektiv auf der Oberfläche von Endotheliozyten absorbiert wird. Die Endothelzellen lassen sich dann leicht von der Masse der aus den Gefäßen gewonnenen Zellen, einer Mischung aus glatten Muskelzellen, Myofibroblasten und Fibroblasten, trennen. Die Herkunft der Zellen, ob Arterie oder Vene, beeinflusst die Eigenschaften des Endkonstrukts. So sind künstliche Herzklappen mit einer mit venösen Zellen besiedelten Matrix hinsichtlich Kollagenbildung und mechanischer Stabilität Konstrukten mit arteriellen Zellen überlegen. Periphere Venen scheinen eine bequemere Quelle für die Zellgewinnung zu sein.

Myofibroblasten können auch aus Halsschlagadern gewonnen werden. Gefäßabgeleitete Zellen weisen jedoch deutlich andere Eigenschaften auf als natürliche interstitielle Zellen. Autologe Nabelschnurzellen können als alternative Zellquelle genutzt werden.

Künstliche Herzklappen auf Stammzellenbasis

In den letzten Jahren wurden Fortschritte im Tissue Engineering durch die Stammzellforschung ermöglicht. Die Verwendung von roten Knochenmarkstammzellen bietet Vorteile. Insbesondere die einfache Entnahme von Biomaterial und die In-vitro-Kultivierung mit anschließender Differenzierung in verschiedene mesenchymale Zelltypen ermöglichen den Verzicht auf intakte Gefäße. Stammzellen sind pluripotente Zelllinienquellen und verfügen über einzigartige immunologische Eigenschaften, die zu ihrer Stabilität unter allogenen Bedingungen beitragen.

Menschliche rote Knochenmarksstammzellen werden durch Sternumpunktion oder Beckenkammpunktion gewonnen. Sie werden aus 10–15 ml Sternumaspirat isoliert, von anderen Zellen getrennt und kultiviert. Sobald die erforderliche Zellzahl erreicht ist (normalerweise innerhalb von 21–28 Tagen), werden sie auf Matrizen ausgesät (kolonisiert) und in einem Nährmedium in statischer Position kultiviert (7 Tage lang in einem befeuchteten Inkubator bei 37 °C und 5 % CO₂). Anschließend wird das Zellwachstum durch das Kulturmedium (biologische Reize) oder durch die Schaffung physiologischer Bedingungen für das Gewebewachstum während seiner isometrischen Deformation in einem Reproduktionsapparat mit pulsierendem Fluss – einem Bioreaktor (mechanische Reize) – stimuliert. Fibroblasten reagieren empfindlich auf mechanische Reize, die ihr Wachstum und ihre funktionelle Aktivität fördern. Der pulsierende Fluss bewirkt eine Zunahme sowohl radialer als auch zirkulärer Deformationen, was zur Ausrichtung (Dehnung) der besiedelten Zellen in Richtung dieser Belastungen führt. Dies führt wiederum zur Bildung orientierter Faserstrukturen der Ventile. Eine konstante Strömung verursacht ausschließlich tangentiale Spannungen an den Wänden. Die pulsierende Strömung wirkt sich positiv auf die Zellmorphologie, die Proliferation und die Zusammensetzung der extrazellulären Matrix aus. Die Art des Nährmediumflusses sowie die physikochemischen Bedingungen (pH, pO₂ und pCO₂) im Bioreaktor beeinflussen die Kollagenproduktion ebenfalls maßgeblich. So erhöhen laminare Strömung und zyklische Wirbelströme die Kollagenproduktion, was zu verbesserten mechanischen Eigenschaften führt.

Ein anderer Ansatz zum Züchten von Gewebestrukturen besteht darin, embryonale Bedingungen in einem Bioreaktor zu schaffen, anstatt die physiologischen Bedingungen des menschlichen Körpers zu simulieren. Auf der Basis von Stammzellen gezüchtete Gewebebioklappen haben bewegliche und flexible Klappen, die unter dem Einfluss von hohem Druck und Strömung, die das physiologische Niveau überschreiten, funktionsfähig sind. Histologische und histochemische Untersuchungen der Klappen dieser Strukturen zeigten das Vorhandensein aktiver Prozesse der biologischen Zerstörung der Matrix und ihres Ersatzes durch lebensfähiges Gewebe. Das Gewebe ist geschichtet und weist ähnliche Eigenschaften der extrazellulären Matrixproteine wie natives Gewebe sowie das Vorhandensein von Kollagen des Typs I und III und Glykosaminoglykanen auf. Die typische dreischichtige Struktur der Klappen – ventrikuläre, schwammartige und faserige Schicht – wurde jedoch nicht erreicht. In allen Fragmenten gefundene ASMA-positive Zellen, die Vimentin exprimieren, wiesen ähnliche Eigenschaften wie Myofibroblasten auf. Durch Elektronenmikroskopie wurden Zellelemente mit für lebensfähige, sekretorisch aktive Myofibroblasten charakteristischen Merkmalen (Aktin-/Myosinfilamente, Kollagenfäden, Elastin) sowie Endothelzellen auf der Gewebeoberfläche sichtbar.

Auf den Klappensegeln wurden Kollagen der Typen I, III, ASMA und Vimentin nachgewiesen. Die mechanischen Eigenschaften der Klappensegel aus Gewebe und natürlichen Strukturen waren vergleichbar. Die künstlichen Herzklappen aus Gewebe zeigten über 20 Wochen hinweg eine hervorragende Leistung und ähnelten in ihrer Mikrostruktur, ihrem biochemischen Profil und ihrer Proteinmatrixbildung natürlichen anatomischen Strukturen.

Alle durch Tissue Engineering gewonnenen künstlichen Herzklappen wurden Tieren in pulmonaler Position implantiert, da ihre mechanischen Eigenschaften nicht den Belastungen in aortaler Position entsprechen. Die aus Tieren explantierten Gewebeklappen ähneln in ihrer Struktur natürlichen Klappen, was auf ihre weitere Entwicklung und Restrukturierung in vivo hindeutet. Ob der Prozess der Geweberestrukturierung und -reifung nach der Implantation der künstlichen Herzklappen unter physiologischen Bedingungen weitergeht, wie im Tierversuch beobachtet, werden weitere Studien zeigen.

Ideale künstliche Herzklappen sollten eine Porosität von mindestens 90 % aufweisen, da diese für Zellwachstum, Nährstoffzufuhr und Abtransport zellulärer Stoffwechselprodukte unerlässlich ist. Neben Biokompatibilität und biologischer Abbaubarkeit sollten künstliche Herzklappen eine chemisch günstige Oberfläche für die Zellansiedlung aufweisen und die mechanischen Eigenschaften von natürlichem Gewebe aufweisen. Der Grad der biologischen Abbaubarkeit der Matrix sollte kontrollierbar und proportional zur Gewebeneubildung sein, um die mechanische Stabilität langfristig zu gewährleisten.

Derzeit werden synthetische und biologische Matrizen entwickelt. Die gängigsten biologischen Materialien zur Herstellung von Matrizen sind anatomische Spenderstrukturen, Kollagen und Fibrin. Künstliche Polymer-Herzklappen werden so konzipiert, dass sie nach der Implantation biologisch abgebaut werden, sobald die implantierten Zellen beginnen, ihr eigenes extrazelluläres Matrixnetzwerk zu bilden und zu organisieren. Die Bildung neuen Matrixgewebes kann durch Wachstumsfaktoren, Zytokine oder Hormone reguliert oder stimuliert werden.

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Künstliche Herzklappen von Spendern

Künstliche Spenderherzklappen von Menschen oder Tieren, die durch Dezellularisierung von zellulären Antigenen befreit wurden, um ihre Immunogenität zu verringern, können als Matrices verwendet werden. Die erhaltenen Proteine der extrazellulären Matrix bilden die Grundlage für die anschließende Adhäsion der ausgesäten Zellen. Zur Entfernung zellulärer Bestandteile (Azellularisierung) gibt es folgende Methoden: Einfrieren, Behandlung mit Trypsin/EDTA, Detergenzien – Natriumdodecylsulfat, Natriumdesoxycolat, Triton X-100, MEGA 10, TnBR CHAPS, Tween 20 sowie mehrstufige enzymatische Behandlungsmethoden. Dabei werden Zellmembranen, Nukleinsäuren, Lipide, zytoplasmatische Strukturen und lösliche Matrixmoleküle entfernt, während Kollagen und Elastin erhalten bleiben. Eine ideale Methode wurde jedoch noch nicht gefunden. Nur Natriumdodecylsulfat (0,03–1 %) oder Natriumdesoxycolat (0,5–2 %) führten nach 24-stündiger Behandlung zu einer vollständigen Zellentfernung.

Die histologische Untersuchung entnommener dezellularisierter Bioklappen (Allograft und Xenograft) im Tierversuch (Hund und Schwein) zeigte eine partielle Endothelisierung und das Einwachsen von Empfängermyofibroblasten in die Basis, ohne Anzeichen einer Verkalkung. Es wurde eine moderate entzündliche Infiltration beobachtet. In klinischen Studien mit der dezellularisierten SynerGraftTM-Klappe kam es jedoch zu einem frühen Versagen. In der Bioprothesenmatrix wurde eine ausgeprägte Entzündungsreaktion festgestellt, die zunächst unspezifisch war und von einer lymphozytären Reaktion begleitet wurde. Im Laufe eines Jahres entwickelten sich Funktionsstörungen und Degeneration der Bioprothese. Es wurde keine Zellbesiedlung der Matrix festgestellt, jedoch Verkalkung der Klappen und präimplantationsbedingte Zellreste.

Mit Endothelzellen besiedelte und in vitro und in vivo kultivierte zellfreie Matrices bildeten eine zusammenhängende Schicht auf der Oberfläche der Klappen, und die besiedelten interstitiellen Zellen der nativen Struktur zeigten ihre Fähigkeit zur Differenzierung. Unter den dynamischen Bedingungen des Bioreaktors konnte jedoch nicht das erforderliche physiologische Maß an Zellbesiedlung auf der Matrix erreicht werden, und die implantierten künstlichen Herzklappen zeigten aufgrund beschleunigter Zellproliferation und Bildung einer extrazellulären Matrix eine relativ schnelle (drei Monate) Verdickung. Daher birgt die Verwendung zellfreier Spendermatrices für ihre Besiedlung mit Zellen zum jetzigen Zeitpunkt eine Reihe ungelöster Probleme, darunter immunologische und infektiöse; die Arbeit an dezellularisierten Bioprothesen wird fortgesetzt.

Es ist zu beachten, dass Kollagen auch ein potenzielles biologisches Material für die Herstellung biologisch abbaubarer Matrizen ist. Es kann in Form von Schaum, Gel oder Platten, Schwämmen und als faserbasierter Rohling verwendet werden. Die Verwendung von Kollagen ist jedoch mit einer Reihe technologischer Schwierigkeiten verbunden. Insbesondere ist es schwierig, es vom Patienten zu gewinnen. Daher sind die meisten Kollagenmatrizen derzeit tierischen Ursprungs. Der langsame biologische Abbau von tierischem Kollagen kann ein erhöhtes Infektionsrisiko mit Zoonosen bergen und immunologische und entzündliche Reaktionen hervorrufen.

Fibrin ist ein weiteres biologisches Material mit kontrollierten Abbaueigenschaften. Da Fibringele aus dem Blut des Patienten hergestellt werden können, um anschließend eine autologe Matrix zu produzieren, führt die Implantation einer solchen Struktur weder zu toxischem Abbau noch zu Entzündungsreaktionen. Fibrin hat jedoch Nachteile wie Diffusion und Auswaschung in die Umwelt sowie schlechte mechanische Eigenschaften.

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Künstliche Herzklappen aus Kunststoff

Künstliche Herzklappen werden auch aus synthetischen Materialien hergestellt. Mehrere Versuche zur Herstellung von Klappenmatrizen basierten auf der Verwendung von Polyglactin, Polyglykolsäure (PGA), Polymilchsäure (PLA), PGA und PLA-Copolymer (PLGA) und Polyhydroxyalkanoaten (PHA). Hochporöses synthetisches Material kann aus geflochtenen oder ungeflochtenen Fasern und mithilfe der Salzlaugungstechnologie gewonnen werden. Ein vielversprechendes Verbundmaterial (PGA/P4HB) für die Herstellung von Matrizen wird aus ungeflochtenen Schlaufen aus Polyglykolsäure (PGA) gewonnen, die mit Poly-4-hydroxybutyrat (P4HB) beschichtet sind. Aus diesem Material hergestellte künstliche Herzklappen werden mit Ethylenoxid sterilisiert. Die erhebliche anfängliche Starrheit und Dicke der Schlaufen dieser Polymere sowie ihr schneller und unkontrollierter Abbau, der mit der Freisetzung saurer zytotoxischer Produkte einhergeht, erfordern jedoch weitere Forschung und die Suche nach anderen Materialien.

Die Verwendung von autologen Myofibroblasten-Gewebekulturplatten, die auf einem Gerüst kultiviert wurden, um durch Stimulierung der Zellproduktion Stützmatrizen zu bilden, ermöglichte die Gewinnung von Klappenproben mit aktiven, lebensfähigen Zellen, die von einer extrazellulären Matrix umgeben sind. Die mechanischen Eigenschaften des Gewebes dieser Klappen reichen jedoch noch nicht für eine Implantation aus.

Das erforderliche Maß an Proliferation und Geweberegeneration der entstehenden Klappe kann allein durch die Kombination von Zellen und Matrix möglicherweise nicht erreicht werden. Die Zellgenexpression und Gewebebildung können durch die Zugabe von Wachstumsfaktoren, Zytokinen oder Hormonen, mitogenen Faktoren oder Adhäsionsfaktoren zu Matrices und Gerüsten reguliert oder stimuliert werden. Die Möglichkeit, diese Regulatoren in Matrix-Biomaterialien einzubringen, wird untersucht. Insgesamt besteht ein erheblicher Forschungsmangel zur Regulierung der Gewebeklappenbildung durch biochemische Stimuli.

Die azelluläre porcine xenogene Lungenbioprothese Matrix P besteht aus dezellularisiertem Gewebe, das nach einem speziellen patentierten Verfahren der AutoTissue GmbH verarbeitet wird, einschließlich der Behandlung mit Antibiotika, Natriumdesoxycholat und Alkohol. Dieses von der Internationalen Organisation für Normung anerkannte Verarbeitungsverfahren eliminiert alle lebenden Zellen und postzellulären Strukturen (Fibroblasten, Endothelzellen, Bakterien, Viren, Pilze, Mykoplasmen), erhält die Architektur der extrazellulären Matrix und reduziert den DNA- und RNA-Spiegel im Gewebe auf ein Minimum, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Übertragung des porcinen endogenen Retrovirus (PERV) auf den Menschen auf Null reduziert wird. Die Matrix P-Bioprothese besteht ausschließlich aus Kollagen und Elastin mit erhaltener struktureller Integration.

In Schafversuchen wurden 11 Monate nach der Implantation der Matrix-P-Bioprothese nur minimale Reaktionen des umgebenden Gewebes bei guten Überlebensraten beobachtet, was sich insbesondere an der glänzenden Innenfläche des Endokards zeigte. Entzündungsreaktionen sowie Verdickung und Verkürzung der Klappensegel traten praktisch nicht auf. Es wurden auch niedrige Kalziumwerte im Gewebe der Matrix-P-Bioprothese festgestellt; der Unterschied war im Vergleich zu den mit Glutaraldehyd behandelten Prothesen statistisch signifikant.

Die künstliche Herzklappe Matrix P passt sich innerhalb weniger Monate nach ihrer Implantation dem Zustand des individuellen Patienten an. Die Untersuchung am Ende des Kontrollzeitraums ergab eine intakte extrazelluläre Matrix und konfluentes Endothel. Das zwischen 2002 und 2004 im Rahmen der Ross-Operation bei 50 Patienten mit angeborenen Defekten implantierte Matrix R-Xenograft zeigte eine bessere Leistung und geringere transvalvuläre Druckgradienten im Vergleich zu kryokonservierten und dezellularisierten SynerGraftMT-Allografts und mit Glutaraldehyd behandelten gerüstlosen Bioprothesen. Künstliche Herzklappen Matrix P sind für den Pulmonalklappenersatz bei der Rekonstruktion des rechtsventrikulären Ausflusstrakts in der Chirurgie bei angeborenen und erworbenen Defekten sowie beim Pulmonalklappenersatz während der Ross-Operation vorgesehen. Sie sind in 4 Größen (nach Innendurchmesser) erhältlich: für Neugeborene (15–17 mm), für Kinder (18–21 mm), mittelgroß (22–24 mm) und für Erwachsene (25–28 mm).

Fortschritte bei der Entwicklung gewebetechnisch hergestellter Herzklappen hängen von Fortschritten in der Herzklappenzellbiologie (einschließlich Fragen der Genexpression und -regulation), Studien zur embryonalen und altersbedingten Herzklappenentwicklung (einschließlich angiogener und neurogener Faktoren), der genauen Kenntnis der Biomechanik jeder einzelnen Herzklappe, der Identifizierung geeigneter Zellen für die Ansiedlung und der Entwicklung optimaler Matrizen ab. Die Weiterentwicklung fortschrittlicherer Gewebeherzklappen erfordert ein umfassendes Verständnis der Zusammenhänge zwischen den mechanischen und strukturellen Eigenschaften nativer Herzklappen und den (biologischen und mechanischen) Stimuli zur Nachbildung dieser Eigenschaften in vitro.

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