Mga artipisyal na balbula sa puso

Ang mga modernong biological na artipisyal na balbula sa puso na magagamit para sa klinikal na paggamit, maliban sa pulmonary autograft, ay mga hindi mabubuhay na istruktura na kulang sa potensyal para sa paglaki at pagpapanumbalik ng tissue. Nagpapataw ito ng mga makabuluhang limitasyon sa kanilang paggamit, lalo na sa mga bata, para sa pagwawasto ng patolohiya ng balbula. Ang tissue engineering ay nabuo sa nakalipas na 15 taon. Ang layunin ng siyentipikong direksyon na ito ay lumikha sa mga artipisyal na kondisyon tulad ng mga istruktura tulad ng mga artipisyal na balbula sa puso na may thromboresistant na ibabaw at mabubuhay na interstitium.

[ 1 ], [ 2 ]

Paano nabuo ang mga artipisyal na balbula sa puso?

Ang siyentipikong konsepto ng tissue engineering ay batay sa ideya ng pag-populate at paglaki ng mga buhay na selula (fibroblast, stem cell, atbp.) sa isang synthetic o natural na absorbable scaffold (matrix), na isang three-dimensional na balbula na istraktura, pati na rin ang paggamit ng mga signal na kumokontrol sa expression ng gene, organisasyon at produktibidad ng mga transplanted cell sa panahon ng pagbuo ng extracellular matrix.

Ang ganitong mga artipisyal na balbula sa puso ay isinama sa tissue ng pasyente para sa huling pagpapanumbalik at karagdagang pagpapanatili ng kanilang istraktura at paggana. Sa kasong ito, ang isang bagong collagen-elastin framework o, mas tiyak, ang isang extracellular matrix ay nabuo sa orihinal na matrix bilang isang resulta ng paggana ng mga cell (fibroblasts, myofibroblasts, atbp.). Bilang resulta, ang pinakamainam na artipisyal na mga balbula ng puso na nilikha ng tissue engineering ay dapat na malapit sa katutubong isa sa mga tuntunin ng anatomical na istraktura at pag-andar, at mayroon ding biomechanical adaptability, ang kakayahang reparation at paglaki.

Ang tissue engineering ay gumagawa ng mga artipisyal na balbula sa puso gamit ang iba't ibang pinagmumulan ng koleksyon ng cell. Kaya, ang mga xenogeneic o allogeneic na mga cell ay maaaring gamitin, bagaman ang dating ay nauugnay sa panganib ng pagpapadala ng mga zoonoses sa mga tao. Posibleng bawasan ang antigenicity at maiwasan ang mga reaksyon ng pagtanggi ng katawan sa pamamagitan ng genetic modification ng allogeneic cells. Ang tissue engineering ay nangangailangan ng maaasahang pinagmumulan ng mga cell. Ang nasabing pinagmulan ay mga autogenous na mga cell na direktang kinuha mula sa pasyente at hindi gumagawa ng mga immune reaction sa panahon ng reimplantation. Ang mga epektibong artipisyal na balbula sa puso ay ginawa batay sa mga autologous na selula na nakuha mula sa mga daluyan ng dugo (mga arterya at ugat). Isang paraan batay sa paggamit ng fluorescence-activated cell sorting - FACS ay binuo upang makakuha ng mga purong cell culture. Ang isang halo-halong populasyon ng cell na nakuha mula sa isang daluyan ng dugo ay may label na may acetylated, low-density na lipoprotein marker, na piling hinihigop sa ibabaw ng mga endotheliocytes. Ang mga endothelial cell ay madaling mahihiwalay mula sa karamihan ng mga cell na nakuha mula sa mga sisidlan, na magiging pinaghalong makinis na mga selula ng kalamnan, myofibroblast, at fibroblast. Ang pinagmulan ng mga selula, arterya man o ugat, ay makakaapekto sa mga katangian ng panghuling konstruksyon. Kaya, ang mga artipisyal na balbula sa puso na may matrix na may binhi na may mga venous na selula ay higit na mataas sa pagbuo ng collagen at mekanikal na katatagan kaysa sa mga konstruksyon na may mga selulang arterial. Ang pagpili ng mga peripheral veins ay tila isang mas maginhawang mapagkukunan ng koleksyon ng cell.

Ang mga myofibroblast ay maaari ding makuha mula sa mga carotid arteries. Gayunpaman, ang mga cell na nagmula sa daluyan ay may makabuluhang naiibang katangian mula sa mga natural na interstitial na mga cell. Ang mga autologous umbilical cord cells ay maaaring gamitin bilang alternatibong cell source.

Mga Artipisyal na Balbula sa Puso Batay sa Mga Stem Cell

Sa mga nakalipas na taon, ang pag-unlad sa tissue engineering ay pinadali ng stem cell research. Ang paggamit ng red bone marrow stem cell ay may mga pakinabang nito. Sa partikular, ang pagiging simple ng pagkolekta ng biomaterial at in vitro cultivation na may kasunod na pagkita ng kaibhan sa iba't ibang uri ng mesenchymal cells ay nagbibigay-daan sa pag-iwas sa paggamit ng mga buo na sisidlan. Ang mga stem cell ay pluripotent na pinagmumulan ng mga cell lineage at may natatanging immunological na katangian na nag-aambag sa kanilang katatagan sa mga allogeneic na kondisyon.

Ang mga red bone marrow stem cell ng tao ay nakukuha sa pamamagitan ng sternal puncture o iliac crest puncture. Ang mga ito ay nakahiwalay mula sa 10-15 ml ng sternum aspirate, na pinaghihiwalay mula sa iba pang mga cell at pinag-aralan. Sa pag-abot sa kinakailangang bilang ng mga selula (karaniwan ay sa loob ng 21-28 araw), ang mga ito ay ibino (kolonisado) sa mga matrice at nilinang sa isang nutrient medium sa isang static na posisyon (sa loob ng 7 araw sa isang humidified incubator sa 37 °C sa pagkakaroon ng 5% CO2). Kasunod nito, ang paglaki ng cell ay pinasigla sa pamamagitan ng cuptural medium (biological stimuli) o sa pamamagitan ng paglikha ng mga physiological na kondisyon para sa paglago ng tissue sa panahon ng isometric deformation nito sa isang reproduction apparatus na may pulsating flow - isang bioreactor (mechanical stimuli). Ang mga fibroblast ay sensitibo sa mekanikal na stimuli na nagtataguyod ng kanilang paglaki at functional na aktibidad. Ang pulsating flow ay nagdudulot ng pagtaas sa parehong radial at circumferential deformations, na humahantong sa oryentasyon (pagpahaba) ng mga populated na mga cell sa direksyon ng naturang mga stress. Ito naman, ay humahantong sa pagbuo ng mga oriented na fibrous na istruktura ng mga balbula. Ang patuloy na daloy ay nagdudulot lamang ng tangential stress sa mga dingding. Ang pulsating flow ay may kapaki-pakinabang na epekto sa cellular morphology, paglaganap at ang komposisyon ng extracellular matrix. Ang likas na katangian ng nutrient medium flow, physicochemical conditions (pH, pO2 at pCO2) sa bioreactor ay makabuluhang nakakaapekto sa produksyon ng collagen. Kaya, ang laminar flow, cyclic eddy currents ay nagpapataas ng produksyon ng collagen, na humahantong sa pinabuting mekanikal na mga katangian.

Ang isa pang diskarte sa lumalaking mga istraktura ng tissue ay ang lumikha ng mga kondisyon ng embryonic sa isang bioreactor sa halip na gayahin ang mga kondisyon ng physiological ng katawan ng tao. Ang mga tissue biovalve na lumago sa batayan ng mga stem cell ay may mobile at flexible flaps, functionally capable sa ilalim ng impluwensya ng mataas na presyon at daloy na lumalampas sa physiological level. Ang mga histological at histochemical na pag-aaral ng mga flaps ng mga istrukturang ito ay nagpakita ng pagkakaroon ng mga aktibong proseso ng matrix biodestruction at ang pagpapalit nito ng mabubuhay na tissue. Ang tissue ay nakaayos ayon sa layered type na may mga katangian ng extracellular matrix proteins na katulad ng sa native tissue, ang pagkakaroon ng collagen type I at III at glycosaminoglycans. Gayunpaman, ang tipikal na tatlong-layer na istraktura ng flaps - ventricular, spongy at fibrous layer - ay hindi nakuha. Ang mga cell na positibo sa ASMA na nagpapahayag ng vimentin na natagpuan sa lahat ng mga fragment ay may mga katangian na katulad ng sa myofibroblasts. Ang electron microscopy ay nagsiwalat ng mga elemento ng cellular na may mga tampok na katangian ng mabubuhay, mga aktibong myofibroblast na nagtatago (actin/myosin filament, collagen thread, elastin), at mga endothelial cells sa ibabaw ng tissue.

Ang mga uri ng collagen I, III, ASMA at vimentin ay nakita sa mga leaflet. Ang mga mekanikal na katangian ng mga leaflet ng tissue at mga katutubong istruktura ay maihahambing. Ang mga tissue na artipisyal na balbula sa puso ay nagpakita ng mahusay na pagganap sa loob ng 20 linggo at kahawig ng mga natural na anatomical na istruktura sa kanilang microstructure, biochemical profile at protina matrix formation.

Ang lahat ng mga artipisyal na balbula ng puso na nakuha ng tissue engineering ay itinanim sa mga hayop sa posisyon ng baga, dahil ang kanilang mga mekanikal na katangian ay hindi tumutugma sa mga naglo-load sa posisyon ng aortic. Ang mga balbula ng tissue na na-explant mula sa mga hayop ay malapit sa istraktura sa mga katutubong, na nagpapahiwatig ng kanilang karagdagang pag-unlad at muling pagsasaayos sa vivo. Kung ang proseso ng muling pagsasaayos at pagkahinog ng tissue ay magpapatuloy sa ilalim ng mga kondisyong pisyolohikal pagkatapos maitanim ang mga artipisyal na balbula sa puso, gaya ng naobserbahan sa mga eksperimento ng hayop, ay ipapakita ng mga karagdagang pag-aaral.

Ang mga ideal na artipisyal na balbula sa puso ay dapat magkaroon ng porosity na hindi bababa sa 90%, dahil ito ay mahalaga para sa paglaki ng cell, paghahatid ng nutrient, at pag-alis ng mga cellular metabolic na produkto. Bilang karagdagan sa biocompatibility at biodegradability, ang mga artipisyal na balbula sa puso ay dapat magkaroon ng chemically favorable surface para sa cell seeding at tumugma sa mekanikal na katangian ng natural na tissue. Ang antas ng matrix biodegradation ay dapat na nakokontrol at proporsyonal sa antas ng bagong pagbuo ng tissue upang matiyak ang mekanikal na katatagan sa paglipas ng panahon.

Sa kasalukuyan, ang mga synthetic at biological na matrice ay binuo. Ang pinakakaraniwang biological na materyales para sa paglikha ng mga matrice ay donor anatomical structures, collagen at fibrin. Ang mga polymer na artipisyal na balbula sa puso ay idinisenyo upang mag-biodegrade pagkatapos ng pagtatanim, kapag ang mga implant na selula ay nagsimulang gumawa at ayusin ang kanilang sariling extracellular matrix network. Ang pagbuo ng bagong matrix tissue ay maaaring i-regulate o pasiglahin ng mga growth factor, cytokine o hormones.

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

Mga artipisyal na balbula sa puso ng donor

Ang mga donor na artipisyal na balbula sa puso na nakuha mula sa mga tao o hayop at naubos ng mga cellular antigen sa pamamagitan ng decellularization upang mabawasan ang kanilang immunogenicity ay maaaring gamitin bilang mga matrice. Ang napanatili na mga protina ng extracellular matrix ay ang batayan para sa kasunod na pagdirikit ng mga seeded cell. Ang mga sumusunod na paraan ng pag-alis ng mga elemento ng cellular (acellularization) ay umiiral: pagyeyelo, paggamot na may trypsin/EDTA, mga detergent - sodium dodecyl sulfate, sodium deoxycolate, Triton X-100, MEGA 10, TnBR CHAPS, Tween 20, pati na rin ang mga multi-stage na enzymatic na pamamaraan ng paggamot. Sa kasong ito, ang mga lamad ng cell, nucleic acid, lipid, cytoplasmic na istruktura at mga natutunaw na molekula ng matrix ay inaalis habang pinapanatili ang collagen at elastin. Gayunpaman, ang isang perpektong paraan ay hindi pa natagpuan. Tanging ang sodium dodecyl sulfate (0.03-1%) o sodium deoxycolate (0.5-2%) ang nagresulta sa kumpletong pagtanggal ng cell pagkatapos ng 24 na oras ng paggamot.

Ang histological na pagsusuri ng mga inalis na decellularized biovalves (allograft at xenograft) sa isang eksperimento ng hayop (aso at baboy) ay nagpakita ng bahagyang endothelialization at ingrowth ng mga myofibroblast ng tatanggap sa base, na walang mga palatandaan ng calcification. Napansin ang katamtamang inflammatory infiltration. Gayunpaman, ang maagang pagkabigo ay nabuo sa panahon ng mga klinikal na pagsubok ng decellularized SynerGraftTM valve. Ang isang binibigkas na nagpapasiklab na reaksyon ay napansin sa bioprosthesis matrix, na sa una ay hindi tiyak at sinamahan ng isang lymphocytic na reaksyon. Ang dysfunction at degeneration ng bioprosthesis ay nabuo sa loob ng isang taon. Walang cell colonization ng matrix ang nabanggit, ngunit ang calcification ng mga valve at preimplantation cell remnants ay nakita.

Ang mga cell-free matrice na may binhi na may mga endothelial cells at naka-culture sa vitro at in vivo ay bumuo ng magkakaugnay na layer sa ibabaw ng mga valve, at ang mga seeded interstitial cells ng katutubong istraktura ay nagpakita ng kanilang kakayahang mag-iba. Gayunpaman, hindi posible na makamit ang kinakailangang antas ng pisyolohikal ng kolonisasyon ng cell sa matrix sa ilalim ng mga dinamikong kondisyon ng bioreactor, at ang mga implanted na artipisyal na mga balbula ng puso ay sinamahan ng isang medyo mabilis (tatlong buwan) na pampalapot dahil sa pinabilis na paglaganap ng cell at pagbuo ng isang extracellular matrix. Kaya, sa yugtong ito, ang paggamit ng mga donor cell-free matrice para sa kanilang kolonisasyon sa mga cell ay may ilang mga hindi nalutas na problema, kabilang ang mga immunological at nakakahawa; nagpapatuloy ang trabaho sa mga decellularized bioprostheses.

Dapat pansinin na ang collagen ay isa rin sa mga potensyal na biological na materyales para sa paggawa ng mga matrice na may kakayahang biodegradation. Maaari itong magamit sa anyo ng foam, gel o mga plato, mga espongha at bilang isang blangko na nakabatay sa hibla. Gayunpaman, ang paggamit ng collagen ay nauugnay sa isang bilang ng mga teknolohikal na paghihirap. Sa partikular, mahirap makuha mula sa isang pasyente. Samakatuwid, sa kasalukuyan, karamihan sa mga collagen matrice ay nagmula sa hayop. Ang mabagal na biodegradation ng collagen ng hayop ay maaaring magdala ng mas mataas na panganib ng impeksyon sa zoonoses, magdulot ng immunological at inflammatory reactions.

Ang fibrin ay isa pang biological na materyal na may kontroladong katangian ng biodegradation. Dahil ang mga fibrin gel ay maaaring gawin mula sa dugo ng pasyente para sa kasunod na paggawa ng isang autologous matrix, ang pagtatanim ng naturang istraktura ay hindi magiging sanhi ng nakakalason na pagkasira nito at nagpapasiklab na reaksyon. Gayunpaman, ang fibrin ay may mga disadvantages tulad ng diffusion at leaching sa kapaligiran at mababang mekanikal na katangian.

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

Mga artipisyal na balbula sa puso na gawa sa mga sintetikong materyales

Ang mga artipisyal na balbula sa puso ay gawa rin sa mga sintetikong materyales. Ang ilang mga pagtatangka sa paggawa ng mga valve matrice ay batay sa paggamit ng polyglactin, polyglycolic acid (PGA), polylactic acid (PLA), PGA at PLA copolymer (PLGA) at polyhydroxyalkanoates (PHA). Ang mataas na buhaghag na sintetikong materyal ay maaaring makuha mula sa tinirintas o hindi tinirintas na hibla at gamit ang teknolohiya ng salt leaching. Ang isang promising composite material (PGA/P4HB) para sa paggawa ng mga matrice ay nakuha mula sa mga di-tinirintas na mga loop ng polyglycolic acid (PGA) na pinahiran ng poly-4-hydroxybutyrate (P4HB). Ang mga artipisyal na balbula sa puso na ginawa mula sa materyal na ito ay isterilisado ng ethylene oxide. Gayunpaman, ang makabuluhang paunang tigas at kapal ng mga loop ng mga polimer na ito, ang kanilang mabilis at hindi makontrol na pagkasira, na sinamahan ng paglabas ng mga acidic na cytotoxic na produkto, ay nangangailangan ng karagdagang pananaliksik at paghahanap para sa iba pang mga materyales.

Ang paggamit ng mga autologous myofibroblast tissue culture plate na naka-culture sa isang scaffold upang bumuo ng mga sumusuportang matrice sa pamamagitan ng pagpapasigla sa produksyon ng mga cell na ito ay naging posible upang makakuha ng mga sample ng balbula na may mga aktibong mabubuhay na cell na napapalibutan ng isang extracellular matrix. Gayunpaman, ang mga mekanikal na katangian ng mga tisyu ng mga balbula na ito ay hindi pa rin sapat para sa kanilang pagtatanim.

Ang kinakailangang antas ng paglaganap at tissue regeneration ng balbula na nilikha ay maaaring hindi makamit sa pamamagitan ng pagsasama-sama ng mga cell at matrix lamang. Ang expression ng cell gene at pagbuo ng tissue ay maaaring i-regulate o pasiglahin sa pamamagitan ng pagdaragdag ng mga growth factor, cytokine o hormones, mitogenic factor o adhesion factor sa matrice at scaffolds. Ang posibilidad ng pagpapakilala ng mga regulator na ito sa matrix biomaterial ay pinag-aaralan. Sa pangkalahatan, mayroong isang makabuluhang kakulangan ng pananaliksik sa regulasyon ng pagbuo ng balbula ng tisyu sa pamamagitan ng biochemical stimuli.

Ang acellular porcine xenogeneic lung bioprosthesis Matrix P ay binubuo ng decellularized tissue na naproseso ng isang espesyal na patented na pamamaraan ng AutoTissue GmbH, kabilang ang paggamot na may antibiotics, sodium deoxycholate at alkohol. Ang pamamaraang ito ng pagproseso, na inaprubahan ng International Organization for Standardization, ay nag-aalis ng lahat ng mga buhay na selula at mga post-cellular na istruktura (fibroblast, endothelial cells, bacteria, virus, fungi, mycoplasma), pinapanatili ang arkitektura ng extracellular matrix, binabawasan ang antas ng DNA at RNA sa mga tisyu sa pinakamaliit, na binabawasan sa zero ang posibilidad ng paghahatid ng porcine endogenous sa retrovirus (PER endogenous). Ang Matrix P bioprosthesis ay eksklusibong binubuo ng collagen at elastin na may napanatili na structural integration.

Sa mga eksperimento ng tupa, ang kaunting reaksyon mula sa nakapaligid na mga tisyu ay naitala 11 buwan pagkatapos ng pagtatanim ng Matrix P bioprosthesis na may mahusay na mga rate ng kaligtasan, na partikular na maliwanag sa makintab na panloob na ibabaw ng endocardium nito. Ang mga nagpapasiklab na reaksyon, pampalapot at pag-ikli ng mga leaflet ng balbula ay halos wala. Ang mababang antas ng calcium ng tissue sa Matrix P bioprosthesis ay naitala din, ang pagkakaiba ay makabuluhang istatistika kumpara sa mga ginagamot sa glutaraldehyde.

Ang artipisyal na balbula ng puso ng Matrix P ay umaangkop sa mga kondisyon ng indibidwal na pasyente sa loob ng ilang buwan pagkatapos ng pagtatanim nito. Ang pagsusuri sa pagtatapos ng panahon ng kontrol ay nagsiwalat ng isang buo na extracellular matrix at confluent endothelium. Ang Matrix R xenograft na itinanim sa 50 mga pasyente na may congenital defects sa panahon ng Ross procedure sa pagitan ng 2002 at 2004 ay nagpakita ng superior performance at mas mababang transvalvular pressure gradients kumpara sa cryopreserved at decellularized SynerGraftMT allografts at glutaraldehyde-treated scaffoldless bioprostheses. Ang mga artipisyal na balbula sa puso na Matrix P ay inilaan para sa pagpapalit ng balbula ng baga sa panahon ng muling pagtatayo ng kanang ventricular outflow tract sa operasyon para sa congenital at nakuhang mga depekto at sa panahon ng pagpapalit ng balbula ng baga sa panahon ng Ross procedure. Available ang mga ito sa 4 na laki (sa pamamagitan ng panloob na diameter): para sa mga bagong silang (15-17 mm), para sa mga bata (18-21 mm), intermediate (22-24 mm) at nasa hustong gulang (25-28 mm).

Ang pag-unlad sa pagbuo ng tissue-engineered valves ay depende sa mga pag-unlad sa valve cell biology (kabilang ang mga isyu ng gene expression at regulation), pag-aaral ng embryogenic at age-related valve development (kabilang ang angiogenic at neurogenic factors), tumpak na kaalaman sa biomechanics ng bawat valve, pagtukoy ng sapat na mga cell para sa seeding, at pagbuo ng pinakamainam na matrices. Ang karagdagang pag-unlad ng mas advanced na mga balbula ng tisyu ay mangangailangan ng masusing pag-unawa sa kaugnayan sa pagitan ng mga mekanikal at istrukturang katangian ng mga katutubong balbula at ang stimuli (biological at mekanikal) upang muling likhain ang mga katangiang ito sa vitro.

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