Valve cardiace artificiale

Valvele cardiace artificiale biologice moderne disponibile pentru uz clinic, cu excepția autogrefelor pulmonare, sunt structuri neviabile, cărora le lipsește potențialul de creștere și reparare a țesuturilor. Acest lucru impune limitări semnificative asupra utilizării lor, în special la copii, pentru corectarea patologiei valvulare. Ingineria tisulară s-a dezvoltat în ultimii 15 ani. Scopul acestei direcții științifice este de a crea în condiții artificiale structuri precum valve cardiace artificiale cu o suprafață tromborezistentă și un interstițiu viabil.

[ 1 ], [ 2 ]

Cum sunt dezvoltate valvele cardiace artificiale?

Conceptul științific al ingineriei tisulare se bazează pe ideea populării și creșterii celulelor vii (fibroblaste, celule stem etc.) într-o schelă (matrice) absorbabilă sintetică sau naturală, care este o structură valvulară tridimensională, precum și pe utilizarea semnalelor care reglează expresia genelor, organizarea și productivitatea celulelor transplantate în perioada de formare a matricei extracelulare.

Astfel de valve cardiace artificiale sunt integrate în țesutul pacientului pentru restaurarea finală și menținerea ulterioară a structurii și funcției lor. În acest caz, pe matricea originală se formează o nouă structură de colagen-elastină sau, mai precis, o matrice extracelulară, ca urmare a funcționării celulelor (fibroblaste, miofibroblaste etc.). Prin urmare, valvele cardiace artificiale optime create prin inginerie tisulară ar trebui să fie apropiate de cele native din punct de vedere al structurii și funcției anatomice și, de asemenea, să aibă adaptabilitate biomecanică, capacitatea de reparare și creștere.

Ingineria tisulară dezvoltă valve cardiace artificiale folosind diverse surse de colectare a celulelor. Astfel, pot fi utilizate celule xenogene sau alogene, deși primele sunt asociate cu riscul de transmitere a zoonozelor la om. Este posibil să se reducă antigenitatea și să se prevină reacțiile de respingere ale organismului prin modificarea genetică a celulelor alogene. Ingineria tisulară necesită o sursă fiabilă de celule. O astfel de sursă este reprezentată de celulele autogene prelevate direct de la pacient și nu produc reacții imune în timpul reimplantării. Valvele cardiace artificiale eficiente sunt produse pe baza celulelor autologe obținute din vasele de sânge (artere și vene). O metodă bazată pe utilizarea sortării celulare activate prin fluorescență - FACS a fost dezvoltată pentru a obține culturi celulare pure. O populație celulară mixtă obținută dintr-un vas de sânge este marcată cu un marker lipoproteinic acetilat, de densitate mică, care este absorbit selectiv pe suprafața endoteliocitelor. Celulele endoteliale pot fi apoi separate cu ușurință de grosul celulelor obținute din vase, care va fi un amestec de celule musculare netede, miofibroblaste și fibroblaste. Sursa celulelor, fie că este vorba de arteră sau venă, va afecta proprietățile construcției finale. Astfel, valvele cardiace artificiale cu o matrice însămânțată cu celule venoase sunt superioare în formarea colagenului și a stabilității mecanice față de construcțiile însămânțate cu celule arteriale. Alegerea venelor periferice pare a fi o sursă mai convenabilă de colectare a celulelor.

Miofibroblastele pot fi, de asemenea, recoltate din arterele carotide. Cu toate acestea, celulele derivate din vase au caracteristici semnificativ diferite de celulele interstițiale naturale. Celulele autologe din cordonul ombilical pot fi utilizate ca sursă celulară alternativă.

Valve cardiace artificiale bazate pe celule stem

În ultimii ani, progresul în ingineria tisulară a fost facilitat de cercetarea celulelor stem. Utilizarea celulelor stem din măduva osoasă roșie are avantajele sale. În special, simplitatea colectării biomaterialului și a cultivării in vitro cu diferențierea ulterioară în diverse tipuri de celule mezenchimale permite evitarea utilizării vaselor intacte. Celulele stem sunt surse pluripotente de linii celulare și au caracteristici imunologice unice care contribuie la stabilitatea lor în condiții alogene.

Celulele stem din măduva osoasă roșie umană se obțin prin puncție sternală sau puncție în cresta iliacă. Acestea sunt izolate din 10-15 ml de aspirat de stern, separate de alte celule și cultivate. La atingerea numărului necesar de celule (de obicei în 21-28 de zile), acestea sunt însămânțate (colonizate) pe matrici și cultivate într-un mediu nutritiv în poziție statică (timp de 7 zile într-un incubator umidificat la 37 °C în prezența a 5% CO2). Ulterior, creșterea celulară este stimulată prin intermediul mediului cuprinzător (stimuli biologici) sau prin crearea condițiilor fiziologice pentru creșterea țesutului în timpul deformării izometrice a acestuia într-un aparat de reproducere cu flux pulsatoriu - un bioreactor (stimuli mecanici). Fibroblastele sunt sensibile la stimuli mecanici care le promovează creșterea și activitatea funcțională. Fluxul pulsatoriu provoacă o creștere atât a deformărilor radiale, cât și a celor circumferențiale, ceea ce duce la orientarea (alungirea) celulelor populate în direcția acestor solicitări. Aceasta, la rândul său, duce la formarea structurilor fibroase orientate ale valvelor. Un flux constant provoacă doar solicitări tangențiale pe pereți. Fluxul pulsatoriu are un efect benefic asupra morfologiei celulare, proliferării și compoziției matricei extracelulare. Natura fluxului mediului nutritiv, condițiile fizico-chimice (pH, pO2 și pCO2) din bioreactor afectează, de asemenea, semnificativ producția de colagen. Astfel, fluxul laminar și curenții turbionari ciclici cresc producția de colagen, ceea ce duce la îmbunătățirea proprietăților mecanice.

O altă abordare a creșterii structurilor tisulare este crearea condițiilor embrionare într-un bioreactor, în loc să simuleze condițiile fiziologice ale corpului uman. Biovalvele tisulare cultivate pe bază de celule stem au lambouri mobile și flexibile, capabile funcțional sub influența unei presiuni ridicate și a unui flux care depășește nivelul fiziologic. Studiile histologice și histochimice ale lambourilor acestor structuri au arătat prezența unor procese active de biodistrugere a matricei și înlocuirea acesteia cu țesut viabil. Țesutul este organizat în funcție de tipul stratificat, cu caracteristici ale proteinelor matricei extracelulare similare cu cele ale țesutului nativ, prezența colagenului de tip I și III și a glicozaminoglicanilor. Cu toate acestea, nu a fost obținută structura tipică în trei straturi a lambourilor - straturi ventriculare, spongioase și fibroase. Celulele ASMA-pozitive care exprimă vimentina, găsite în toate fragmentele, au avut caracteristici similare cu cele ale miofibroblastelor. Microscopia electronică a relevat elemente celulare cu caracteristici caracteristice miofibroblastelor viabile, secretorii active (filamente de actină/miozină, fire de colagen, elastină) și celule endoteliale la suprafața țesutului.

Colagenul de tip I, III, ASMA și vimentină a fost detectat pe valvule. Proprietățile mecanice ale valvulelor tisulare și ale structurilor native au fost comparabile. Valvele cardiace artificiale tisulare au demonstrat performanțe excelente pe o perioadă de 20 de săptămâni și au reprezentat structuri anatomice naturale în ceea ce privește microstructura, profilul biochimic și formarea matricei proteice.

Toate valvele cardiace artificiale obținute prin inginerie tisulară au fost implantate la animale în poziție pulmonară, deoarece caracteristicile lor mecanice nu corespund sarcinilor din poziția aortică. Valvele tisulare explantate de la animale au o structură apropiată de cele native, ceea ce indică dezvoltarea și restructurarea lor ulterioară in vivo. Studii ulterioare vor demonstra dacă procesul de restructurare și maturare a țesuturilor va continua în condiții fiziologice după implantarea valvelor cardiace artificiale, așa cum s-a observat în experimentele pe animale.

Valvele cardiace artificiale ideale ar trebui să aibă o porozitate de cel puțin 90%, deoarece acest lucru este esențial pentru creșterea celulară, livrarea nutrienților și eliminarea produselor metabolice celulare. Pe lângă biocompatibilitate și biodegradabilitate, valvele cardiace artificiale ar trebui să aibă o suprafață favorabilă din punct de vedere chimic pentru însămânțarea celulară și să corespundă proprietăților mecanice ale țesutului natural. Nivelul de biodegradare a matricei ar trebui să fie controlabil și proporțional cu nivelul de formare a țesutului nou pentru a asigura stabilitatea mecanică în timp.

În prezent, se dezvoltă matrici sintetice și biologice. Cele mai comune materiale biologice pentru crearea matricilor sunt structurile anatomice donatoare, colagenul și fibrina. Valvele cardiace artificiale din polimeri sunt proiectate să se biodegradeze după implantare, odată ce celulele implantate încep să producă și să organizeze propria rețea de matrice extracelulară. Formarea de țesut matriceal nou poate fi reglată sau stimulată de factori de creștere, citokine sau hormoni.

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

Valve cardiace artificiale de la donatori

Valvele cardiace artificiale donatoare obținute de la oameni sau animale și epuizate de antigene celulare prin decelularizare pentru a le reduce imunogenitatea pot fi utilizate ca matrici. Proteinele conservate din matricea extracelulară stau la baza aderenței ulterioare a celulelor însămânțate. Există următoarele metode de îndepărtare a elementelor celulare (acelularizare): congelare, tratament cu tripsină/EDTA, detergenți - dodecilsulfat de sodiu, deoxicolat de sodiu, Triton X-100, MEGA 10, TnBR CHAPS, Tween 20, precum și metode de tratament enzimatic în mai multe etape. În acest caz, membranele celulare, acizii nucleici, lipidele, structurile citoplasmatice și moleculele solubile ale matricei sunt îndepărtate, conservând în același timp colagenul și elastina. Cu toate acestea, nu a fost încă găsită o metodă ideală. Doar dodecilsulfatul de sodiu (0,03-1%) sau deoxicolat de sodiu (0,5-2%) au dus la îndepărtarea completă a celulelor după 24 de ore de tratament.

Examinarea histologică a biovalvelor decelularizate îndepărtate (alogrefă și xenogrefă) într-un experiment pe animale (câine și porc) a evidențiat o endotelizare parțială și o creștere internă a miofibroblastelor receptorului în bază, fără semne de calcificare. S-a observat o infiltrare inflamatorie moderată. Cu toate acestea, o insuficiență precoce s-a dezvoltat în timpul studiilor clinice ale valvei decelularizate SynerGraft™. O reacție inflamatorie pronunțată a fost detectată în matricea bioprotezei, care inițial a fost nespecifică și însoțită de o reacție limfocitară. Disfuncția și degenerarea bioprotezei s-au dezvoltat pe parcursul unui an. Nu s-a observat nicio colonizare celulară a matricei, dar s-au detectat calcificarea valvelor și resturi celulare preimplantare.

Matricile fără celule însămânțate cu celule endoteliale și cultivate in vitro și in vivo au format un strat coerent pe suprafața valvelor, iar celulele interstițiale însămânțate cu structură nativă și-au demonstrat capacitatea de diferențiere. Cu toate acestea, nu a fost posibilă atingerea nivelului fiziologic necesar de colonizare celulară pe matrice în condiții dinamice ale bioreactorului, iar valvele cardiace artificiale implantate au fost însoțite de o îngroșare destul de rapidă (trei luni) datorită proliferării celulare accelerate și formării unei matrice extracelulare. Astfel, în această etapă, utilizarea matricilor fără celule donatoare pentru colonizarea lor cu celule are o serie de probleme nerezolvate, inclusiv probleme imunologice și infecțioase; lucrările la bioprotezele decelularizate continuă.

Trebuie menționat că colagenul este, de asemenea, unul dintre materialele biologice potențiale pentru producerea de matrici capabile de biodegradare. Acesta poate fi utilizat sub formă de spumă, gel sau plăci, bureți și ca semifabricat pe bază de fibre. Cu toate acestea, utilizarea colagenului este asociată cu o serie de dificultăți tehnologice. În special, este dificil de obținut de la un pacient. Prin urmare, în prezent, majoritatea matricilor de colagen sunt de origine animală. Biodegradarea lentă a colagenului animal poate comporta un risc crescut de infecție cu zoonoze, poate provoca reacții imunologice și inflamatorii.

Fibrina este un alt material biologic cu caracteristici de biodegradare controlată. Deoarece gelurile de fibrină pot fi fabricate din sângele pacientului pentru producerea ulterioară a unei matrice autologe, implantarea unei astfel de structuri nu va provoca degradarea toxică și reacția inflamatorie a acesteia. Cu toate acestea, fibrina are dezavantaje precum difuzia și levigarea în mediu și proprietăți mecanice scăzute.

[ 7 ], [ 8 ], [ 9 ], [ 10 ], [ 11 ]

Valve cardiace artificiale din materiale sintetice

Valvele cardiace artificiale sunt, de asemenea, fabricate din materiale sintetice. Mai multe încercări de fabricare a matricilor valvulare s-au bazat pe utilizarea poliglactinei, acidului poliglicolic (PGA), acidului polilactic (PLA), copolimerului PGA și PLA (PLGA) și polihidroxialcanoaților (PHA). Materialul sintetic foarte poros poate fi obținut din fibre împletite sau neîmpletite și utilizând tehnologia de levigare cu sare. Un material compozit promițător (PGA/P4HB) pentru fabricarea matricilor se obține din bucle neîmpletite de acid poliglicolic (PGA) acoperite cu poli-4-hidroxibutirat (P4HB). Valvele cardiace artificiale fabricate din acest material sunt sterilizate cu oxid de etilenă. Cu toate acestea, rigiditatea inițială semnificativă și grosimea buclelor acestor polimeri, degradarea lor rapidă și necontrolată, însoțită de eliberarea de produse citotoxice acide, necesită cercetări suplimentare și căutarea altor materiale.

Utilizarea plăcilor de cultură de țesut miofibroblast autolog, cultivate pe o schelă, pentru a forma matrici de susținere prin stimularea producției acestor celule, a făcut posibilă obținerea de probe de valve cu celule viabile active, înconjurate de o matrice extracelulară. Cu toate acestea, proprietățile mecanice ale țesuturilor acestor valve sunt încă insuficiente pentru implantarea lor.

Nivelul necesar de proliferare și regenerare tisulară a valvei create s-ar putea să nu fie atins doar prin combinarea celulelor și a matricei. Expresia genelor celulare și formarea țesuturilor pot fi reglate sau stimulate prin adăugarea de factori de creștere, citokine sau hormoni, factori mitogenici sau factori de adeziune la matrici și schele. Se studiază posibilitatea introducerii acestor regulatori în biomaterialele matriceale. În general, există o lipsă semnificativă de cercetare privind reglarea formării valvei tisulare prin stimuli biochimici.

Bioproteza pulmonară xenogenă porcină acelulară Matrix P constă din țesut decelularizat procesat printr-o procedură specială brevetată de AutoTissue GmbH, inclusiv tratament cu antibiotice, deoxicolat de sodiu și alcool. Această metodă de procesare, aprobată de Organizația Internațională de Standardizare, elimină toate celulele vii și structurile postcelulare (fibroblaste, celule endoteliale, bacterii, virusuri, fungi, micoplasme), păstrează arhitectura matricei extracelulare, reduce la minimum nivelul de ADN și ARN din țesuturi, ceea ce reduce la zero probabilitatea transmiterii retrovirusului endogen porcin (PERV) la om. Bioproteza Matrix P constă exclusiv din colagen și elastină cu integrare structurală păstrată.

În experimentele efectuate pe ovine, s-a înregistrat o reacție minimă din partea țesuturilor înconjurătoare la 11 luni după implantarea bioprotezei Matrix P, cu rate bune de supraviețuire, evidente în special la nivelul suprafeței interioare lucioase a endocardului. Reacțiile inflamatorii, îngroșarea și scurtarea valvelor au fost practic absente. De asemenea, s-au înregistrat niveluri scăzute de calciu în țesuturile bioprotezei Matrix P, diferența fiind semnificativă statistic în comparație cu cele tratate cu glutaraldehidă.

Valva cardiacă artificială Matrix P se adaptează la condițiile individuale ale pacientului în decurs de câteva luni de la implantare. Examinarea la sfârșitul perioadei de control a relevat o matrice extracelulară intactă și un endoteliu confluent. Xenogrefa Matrix R implantată la 50 de pacienți cu defecte congenitale în timpul procedurii Ross între 2002 și 2004 a demonstrat performanțe superioare și gradienți de presiune transvalvulară mai mici în comparație cu alogrefele SynerGraftMT crioconservate și decelularizate și bioprotezele fără schelă tratate cu glutaraldehidă. Valvele cardiace artificiale Matrix P sunt destinate înlocuirii valvei pulmonare în timpul reconstrucției tractului de ejecție al ventriculului drept în chirurgia pentru defecte congenitale și dobândite și în timpul înlocuirii valvei pulmonare în timpul procedurii Ross. Sunt disponibile în 4 dimensiuni (după diametrul intern): pentru nou-născuți (15-17 mm), pentru copii (18-21 mm), intermediare (22-24 mm) și pentru adulți (25-28 mm).

Progresul în dezvoltarea valvelor modificate tisular va depinde de progresele înregistrate în biologia celulelor valvulare (inclusiv aspecte legate de expresia și reglarea genelor), studii privind dezvoltarea valvelor embriogene și legate de vârstă (inclusiv factori angiogenici și neurogenici), cunoașterea precisă a biomecanicii fiecărei valve, identificarea celulelor adecvate pentru însămânțare și dezvoltarea unor matrici optime. Dezvoltarea ulterioară a unor valve tisulare mai avansate va necesita o înțelegere aprofundată a relației dintre caracteristicile mecanice și structurale ale valvelor native și stimulii (biologici și mecanici) pentru a recrea aceste caracteristici in vitro.

[ 12 ], [ 13 ], [ 14 ], [ 15 ]