Mākslīgie sirds vārsti

Moderna, pieejama klīniskai lietošanai, bioloģiski mākslīgie sirds vārsti, izņemot plaušu autotransplantu, ir dzīvotspējīgas struktūras, kurām nav izaugsmes iespēju un audu remonta. Tas rada būtiskus ierobežojumus to lietošanai, īpaši bērniem, lai koriģētu vārstuļu patoloģiju. Pēdējo 15 gadu laikā ir izveidota audu inženierija. Šī zinātniskā virziena mērķis ir mākslīgos apstākļos veidot tādas struktūras kā mākslīgie sirds vārsti ar tromboizturīgu virsmu un dzīvotspējīgu intersticiu.

[1], [2],

Kā tiek veidoti mākslīgie sirds vārsti?

Scientific jēdziens audu inženierijas balstās uz domu nostādināšanas un kultivēšanas dzīvo šūnu (fibroblastos, cilmes šūnas uc) ir sintētiskas vai dabīgas absorbējošie skeletu (matrica), kas pārstāv trīsdimensiju vārstu struktūru, kā arī signālu izmantošana, kas regulē gēnu, organizācijas un produktivitāti transplantēto šūnām ārpuscelulāro matrices veidošanās periodā.

Šādi mākslīgie sirds vārsti tiek integrēti pacienta audos, lai atjaunotu un turpinātu tās struktūras un funkcijas saglabāšanu. Tādējādi uz sākotnējās matricas kā darbības rezultātā šūnu (fibroblastus un myofibroblasts al.), Jaunu rāmja kollagenoelastinovy vai, precīzāk, ārpusšūnu matricē. Tā rezultātā, par optimālu mākslīgā sirds vārstuļi ar audu inženierijas tehnikas misas anatomiskās struktūras un to funkcijas tuvāk dzimtā, un ir biomehānisko pielāgošanās spējas, spēja remontu un izaugsmei.

Audu inženierija izstrādā mākslīgās sirds vārstus, izmantojot dažādus šūnu novākšanas avotus. Tādējādi var izmantot ksenogēnas vai alogēnas šūnas, lai gan pirmās ir saistītas ar zoonozes transportēšanas risku cilvēkiem. Alogēnu šūnu ģenētiskā modifikācija ir iespējama, lai samazinātu antigēnumu un novērstu organisma atgrūšanas reakcijas. Audu inženierijai ir nepieciešams uzticams šūnu produkcijas avots. Šis avots ir autogēnās šūnas, kas tiek ņemtas tieši no pacienta un neiespējami imunoloģiski reimplantācijas laikā. Efektīvus mākslīgos sirds vārstus ražo, pamatojoties uz autologām šūnām, kas iegūtas no asinsvadiem (artērijām un vēnām). Lai iegūtu tīras šūnu kultūras, ir izstrādāta metode, kuras pamatā ir fluorescējošas aktivētās šūnu šķirošanas (FACS) izmantošana. Jauktu šūnu populācija, kas iegūta no asinsvadiem, ir marķēta ar acetilētu, zemu blīvuma lipoproteīnu marķieri, kas selektīvi absorbējas endotēliocītu virsmā. Endotēliocītus pēc tam var viegli atdalīt no šūnu, kas iegūti no traukiem, lielāko daļu, kas tiks attēlots gludu muskuļu šūnu, miofibroblastu un fibroblastu maisījumā. Šūnu avots, vai nu tas ir artērijā vai vēnā, ietekmēs galīgās struktūras īpašības. Tādējādi mākslīgie sirds vārsti ar matricu, kas apsēta ar vēnu šūnām, attiecībā uz kolagēna veidošanās pakāpi un mehānisko stabilitāti pārsniedz arteriālo šūnu apsēto struktūru. Šķiet, ka perifēro vēnu izvēle ir ērtāks šūnu novākšanas avots.

Myofibroblastus var ņemt arī no miega artērijām. Tajā pašā laikā šūnas, kas iegūtas no traukiem, būtībā atšķiras no to dabiskajām intersticiālajām šūnām. Autologas nabassaites šūnas var izmantot kā alternatīvu šūnu avotu.

Mākslīgie sirds vārsti, kuru pamatā ir cilmes šūnas

Pēdējos gados audu inženierijas gaitu veicina cilmes šūnu izpēte. Priekšrocības ir sarkano kauliņu smadzeņu šūnu izmantošanai. Jo īpaši, biomateriālu paraugu ņemšanas un in vitro audzēšanas vienkāršība ar vēlāku diferenciāciju dažādu mezenhimālo šūnu veidos ļauj izvairīties no veseliem traukiem. Cilmes šūnas ir pluripotenciālie šūnu baktēriju avoti, tiem piemīt unikālas imunoloģiskās īpašības, kas veicina to stabilitāti alogēnajos apstākļos.

Cilvēka kaulu smadzeņu cilmes šūnas tiek iegūtas, padziļināma kakla sternāža vai punkcija. Tās ir izolētas no 10-15 ml asinszāli krūšu kurvja, atdalītas no citām šūnām un kultivētas. Sasniedzot vēlamo šūnu skaitu (parasti laikā 21-28 dienas) ražot to sēšanas (kolonizācija) matricē ir kultivētas vidējā statiskā stāvoklī (7 dienu laikā mitrinātā inkubatorā pie 37 ° C temperatūrā, klātesot 5% CO2). Pēc tam stimulācija šūnu augšanas caur kupturalnuyu vidē (bioloģisks stimulēšanas) vai fizioloģiskos apstākļos, kā arī radot audu augšanu tās deformācijas isometric reproducēšanas aparatūru impulsa laikā - bioreaktorā (mehānisku iedarbību). Fibroblastes ir jutīgas pret mehāniskiem stimuliem, kas veicina to augšanu un funkcionālo aktivitāti. Pulsējoša plūsma izraisa gan radiālo un riņķveida deformāciju pieaugumu, kas rada orientācijas (deformācijas) šūnas apdzīvotās virzienā darbības šādu stresu. Tas, savukārt, noved pie atloku orientēto šķiedru struktūras veidošanās. Pastāvīga plūsma rada tikai tangenciālas spriedzes uz sienām. Pulsējošajai plūsmai ir labvēlīga ietekme uz šūnu morfoloģiju, proliferāciju un ārpusšūnu matricas sastāvu. Barojošās barotnes plūsmas raksturs, fizikāli ķīmiskie apstākļi (pH, pO2 un pCO2) bioreaktorā arī būtiski ietekmē kolagēna veidošanos. Tātad, lamināra plūsma, cikliskās virpuļstrāvas palielina kolagēna veidošanos, kā rezultātā tiek uzlabotas mehāniskās īpašības.

Vēl viena pieeja audzēšanas audu struktūras ir nodrošināt embrija apstākļus bioreaktorā vietā, veidošanas fizioloģiskās apstākļus cilvēka organismā. Grown cilmes šūnu audu bioklapany ir pārvietojami vārstus un plastmasa funkcionāli off pie augsta spiediena un plūsmas, kas pārsniedz fizioloģisko līmeni. Histoloģiski un histoklektīvi pētījumi par šo struktūru brošūrām parādīja, ka matricā aktīvi turpinās bioloģiskās noārdīšanās procesi un to aizstās dzīvotspējīgi audi. Audums lamināta tips izvietotas uz īpašībām ārpusšūnu matrices proteīnu, tādiem īpašībām native audu klātbūtnē I un III kolagēna tipa, un no glikozaminoglikānu. Tomēr tipiska trīs slāņu vārstu konstrukcija - sirds kambaru, sūklis un šķiedru slāņi - netika iegūta. Visās fragmentos atklātās ASMA pozitīvās šūnas, kas ekspresē vimentīnu, bija ar myofibroblastu īpašībām līdzīgām īpašībām. Elektronu mikroskopijas šūnu elementiem ir konstatēts, ka raksturīgi dzīvotspējīgu, aktīvo sekretoru myofibroblasts (aktīna / myosin pavedienus, dzija kolagēna, elastīna) un uz auduma virsmas - endotēlija šūnām.

Vārstiem atrada I, III veida aploksnes, ASMA un vimentin. Audu un vietējo struktūru spārnu mehāniskās īpašības bija salīdzināmas. Audu mākslīgie sirds vārsti parādīja lielisku veiktspēju 20 nedēļas un atgādināja par dabīgām anatomiskām struktūrām to mikrostruktūrā, bioķīmiskajā profilā un proteīna matricas veidošanā.

Visi mākslīgie sirds vārsti, kas iegūti audu inženierijas metodē, tika ievesti dzīvnieka plaušu stāvoklī, jo to mehāniskās īpašības neatbilst aortas stāvokļa slodzēm. Dzīvniekiem iepludināti audu vārsti ir strukturāli līdzīgi pēc to struktūras līdz vietējiem, kas liecina par to tālāku attīstību un pārkārtošanos in vivo apstākļos. Tas, vai audu restrukturizācijas un nobriešanas process turpināsies fizioloģiskajos apstākļos pēc mākslīgo sirds vārstuļu implantēšanas, kā tas tika novērots eksperimentos ar dzīvniekiem, parādīs turpmāka pētīšana.

Ideāls mākslīgie sirds vārstuļi jābūt porainība ne mazāk kā 90%, jo tas ir svarīgi, lai šūnu augšanu, piegāde uzturvielu un izņemšanu šūnu vielmaiņas līdzekļi, papildus to bioloģisko saderību un bioloģisko noārdīšanos, mākslīgie sirds vārstuļi jābūt ķīmiski labvēlīga uzsēj šūnu virsmas un atbilst mehāniski dabisko audu īpašības. Matricas bioloģiskās noārdīšanās pakāpe ir jāpārrauga un tā ir proporcionāla jaunā audu formēšanas pakāpei, lai nodrošinātu noteiktas laika mehāniskās stabilitātes garantiju.

Šobrīd tiek izstrādātas sintētiskās un bioloģiskās matricas. Visizplatītākie bioloģiskie materiāli matrices veidošanai ir donoru anatomiskās struktūras, kolagēns un fibrīns. Polimēru mākslīgie sirds vārsti ir paredzēti pēc implantācijas bioloģiskai noārdīšanai, tiklīdz implantētās šūnas sāk ražot un organizēt pašu ārpusšūnu matrices tīklu. Jaunas matrices audu veidošanos var regulēt vai stimulēt augšanas faktori, citokīni vai hormoni.

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

Donoru mākslīgie sirds vārsti

Donoru mākslīgā sirds vārstuļi, kas iegūti no cilvēkiem vai dzīvniekiem un nepiemīt šūnu antigēnu ar detsellyulyarizatsii, lai samazinātu to imunogenitāti, var tikt izmantoti kā matrices. Ekstrazulentā matrices konservētie proteīni ir pamats sējumu uzkrāšanai. Ir šādas metodes novēršot šūnu elementus (atsellyulyarizatsii): saldēšanas, ārstēšana tripsīns / EDTA, mazgāšanas - nātrija dodekil sulfāta, nātrija deoksikolatom, Triton X-100, MEGA 10, TNBR CHAPS, Tween 20, kā arī kā multi-step fermentatīvā ārstēšanas metodēm. Tas novērš šūnu membrānas, nukleīnskābes, lipīdus, citoplazmas struktūras un šķīstoši matricas molekulas ar saglabāšanu kolagēna un elastīna. Tomēr ideāla metode vēl nav atrasta. Tikai sodium dodekil sulfāta (0,03-1%) vai nātrija deoksikolat (0,5-2%) noveda pie pilnīgas atdalīšanas šūnu pēc 24 stundām ārstēšanai.

Histoloģiskā izmeklēšana tālvadības detsellyulyarizovannyh bioklapanov (allotransplantāta un ksentransplantāta) eksperimentos ar dzīvniekiem (suņiem un cūkas), liecina, ka pastāv daļējs ingrowth un endothelialization myofibroblasts saņēmējam par bāzi, nekādas pazīmes pārkaļķošanās. Tika konstatēta mēreni izteikta iekaisuma infiltrācija. Tomēr klīniskajos pētījumos ar decelularized SynerGraftTM vārstu attīstījās agrīnā nepietiekamība. Matrica noteica bioprosthesis izteikta iekaisuma reakciju, kas bija sākotnēji nespecifiskas un tika kopā ar limfocītiskā reakciju. Viena gada laikā attīstīta bioprotezēšanas disfunkcija un deģenerācija. Reģistrēšanās matricas netika novērota šūnu, tomēr pārkaļķošanās no brošūras un Preimplantācijas šūnu gruvešiem tika atrasti.

Endotēlija šūnas sēklām acelulārs matricas un kultivētas in vitro un in vivo apstākļos veidojas saskaņotu slāni uz virsmas atlokiem, un intersticiālo šūnu uzsējuma native struktūra parādīja savu spēju diferenciāciju. Tomēr, lai sasniegtu vēlamo fizioloģisko līmeni kolonizācijas matricē šūnās neveiksmīga dinamiskās apstākļos bioreaktorā, un implantē mākslīgās sirds vārstuļi tika pievienoti pietiekami ātri (trim mēnešiem) sabiezēšanas dēļ paātrinātu šūnu proliferācija un ārpusšūnu matricē veidošanos. Tādējādi šajā posmā izmantošana donora acelulārās matricu viņu kolonizācijas šūnas ir vairākas neatrisinātas problēmas, tostarp 8 imunoloģiskās un infekciozo raksturu darba detsellyulyarizovannymi bioprostheses turpinās.

Jāatzīmē, ka kolagēns ir arī viens no potenciālajiem bioloģiskajiem materiāliem bioloģiskās noārdījumam spējīgu matricu ražošanai. To var izmantot putu, želeju vai plāksnēm, sūkļiem un kā šķiedrvielu formu. Tomēr kolagēna lietošana ir saistīta ar virkni tehnoloģisku problēmu. Jo īpaši no pacienta ir grūti iegūt. Tādēļ pašlaik lielākā daļa kolagēna matrices ir dzīvnieku izcelsmes. Dzīvnieku kolagēna novēlota bioloģiskā noārdīšanās var palielināt zoonozes infekcijas risku, izraisīt imunoloģiskus un iekaisumus.

Fibrīns ir vēl viens bioloģiskais materiāls ar kontrolētu bioloģiskās noārdīšanās īpašībām. Tā kā fibrīna gēlus var izgatavot no pacienta asinīm, lai vēlāk iegūtu autologu matricu, šādas struktūras implantēšana neradīs tā toksisku noārdīšanos un iekaisuma reakciju. Tomēr fibrīnam ir tādi trūkumi kā izplatīšanās un izskalošanās vidē un zemas mehāniskās īpašības.

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

Mākslīgie sirds vārsti, kas izgatavoti no sintētiskiem materiāliem

Mākslīgie sirds vārsti tiek izgatavoti arī no sintētiskiem materiāliem. Vairāki mēģinājumi, lai ražotu vārsti matricas pamatā bija izmantošanu polyglactin, poliglikolskābes (PGA), polilakticheskoy acid (PLA), kopolimēru PGA un PLA (PPGS) un polyhydroxyalkanoates (PHA). Augsti porainu sintētisko materiālu var iegūt no austas vai neausta šķiedrām un izmantojot sāls izskalošanās tehnoloģiju. Daudzsološi kompozītmateriāla (PGA / R4NV) ražojot matricu, kas atvasinātas no neausta cilpas poliglikolskābes (PGA), kas pārklāts ar poli-4-hidroksibutirāta (R4NV). Izgatavoti mākslīgie sirds vārsti no šī materiāla tiek sterilizēti ar etilēna oksīdu. Tomēr ievērojams sākotnējais šo polimēru cilpas stingrums un biezums, to strauja un nekontrolēta degradācija kopā ar skābju citotoksisku produktu atbrīvošanu prasa papildu pētījumus un citu materiālu meklēšanu.

Izmantojot autologas audu kultivēšanas plātnēm myofibroblasts kultivētas uz rāmja, lai veidotu atbalsta matricu, stimulējot ražošanu no šīm šūnām, kas iegūti paraugus ar aktīvās vārsti dzīvotspējīgo šūnu ieskauj ārpusšūnu matricē. Tomēr šo vārstu audu mehāniskās īpašības nav pietiekamas, lai tās varētu implantēt.

Izveidotā vārsta audu proliferācijas un reģenerācijas nepieciešamo līmeni nevar sasniegt tikai apvienojot šūnas un matricu. Šūnu gēna ekspresiju un audu veidošanos var regulēt vai stimulēt, pievienojot augšanas faktorus, citokīnus vai hormonus, mitogēnos faktorus vai saķeres faktorus matrices un matricās. Tiek pētīta šo regulatoru ieviešana matricas biomateriālos. Kopumā būtiski trūkst pētījumu par audu vārstu veidošanās procesa regulēšanu, izmantojot bioķīmiskos stimulus.

Acelulāru cūkas heterologu Matrix P plaušu bioprosthesis sastāv detsellyulyarizovannoy audums ar speciālu patentēts AutoTissue GmbH kārtība, kas sastāv no antibiotiku terapija, nātrija deoksiholātu un alkohola Šis ar starptautiskās organizācijas pieņemts standartizācijas pārstrādes metode apstrādāta, likvidē visas dzīvās šūnas un postkletochnye struktūru (fibroblastos, endotēlija šūnu, baktērijas, vīrusi, sēnītes, mikoplazmu) saglabā arhitektūra ārpusšūnu matricē, tas samazina līmeni DNS un RNS audu piliens mA, kas samazina līdz nullei varbūtību pārraides cūku endogēna retrovīruss (Perv) personai. Matrix P bioprosthesis sastāv tikai no kolagēna un elastīna ar konservu strukturālās integrācijas.

Laikā eksperimenti par aitas tika reģistrēta minimālu reakciju no apkārtējiem audiem 11 mēnešus pēc implantācijas P Matrix bioprosthesis ar labu sniegumu savu izdzīvošanu, kas, jo īpaši, izpaužas tā spīdīgi iekšējās virsmas endokardija. Faktiski netika novērotas iekaisuma reakcijas, vārstu aizvaru sabiezēšana un saīsināšana. Tika reģistrēts Matrix P bioprostēzes audu zemais kalcija līmenis, atšķirība bija statistiski nozīmīga salīdzinājumā ar apstrādāto glutaraldehīdu.

Matrix P mākslīgie sirds vārstuļi tiek pielāgoti katra pacienta nosacījumiem dažus mēnešus pēc implantācijas. Pētījumā beigās pārskata perioda atklāja veselu, ārpusšūnu matricas un drenāžas endotēlija. Ksenotransplantātos Matrix R implantēts solī Ross veikts 50 pacientiem ar iedzimtu defektu laika posmā no 2002. Līdz 2004. Gadam, liecina, izcilu veiktspēju un zemākas transvalvular spiediena gradientu, salīdzinot ar cryopreserved un detsellyulyarizovannymi alotransplantāta SynerGraftMT, un bezrāmju bioprostheses tika ārstēti ar glutāraldehīda. Matrix P Mākslīgās sirds vārstuļi par plaušu artērija vārstuļu rekonstrukcijas labo kambara izejas trakta ķirurģijā iedzimtu laikā, kā arī iegūtās defekti un plaušu vārstuļa protēze pie Ross procedūru, ir pieejama četros izmēros (iekšējais diametrs): Infant (15-17 mm ) bērni (18-21 mm), vidēja (22-24 mm) un pieaugušo (25-28 mm).

Progress attīstībā vārstu pamatojoties uz audu inženierijas būs atkarīgs no panākumiem vārsta šūnu bioloģijā (ieskaitot gēnu ekspresijas jautājumiem un regulēšanas), pētījuma embryogenic un vecuma vārstu (ieskaitot angiogēno un Neirogēnie faktoriem), precīzas zināšanas Biomehānikas katra vārsta, noteikt atbilstošu strīdu šūnu optimālu matricu izstrāde. Tālākai attīstībai vairāk uzlabotas audu vārsti, pilnīga izpratne par attiecībām starp mehāniskās un strukturālās īpašības dzimtās vārstu un stimuli (bioloģiskie vai mehāniski), lai atjaunotu šīs īpašības in vitro.

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