Artipisyal na mga balbula ng puso

Ang modernong, magagamit para sa paggamit ng klinikal, ang mga biological artipisyal na mga balbula ng puso, maliban sa pulmonary autograft, ay hindi maaaring mabuhay na mga istraktura na walang potensyal para sa paglago at pag-aayos ng tissue. Ipinatutupad nito ang mga makabuluhang limitasyon sa kanilang paggamit, lalo na sa mga bata sa pagwawasto ng mga patok na patolohiya. Ang engineering ng tisyu ay nabuo sa nakalipas na 15 taon. Ang layunin ng pang-agham na direksyon na ito ay ang paglikha sa mga artipisyal na kondisyon ng mga istruktura tulad ng mga artipisyal na mga balbula ng puso na may trombo-lumalaban na ibabaw at maaaring mabuhay interstitium.

[1], [2],

Paano binuo ang mga balbula ng artipisyal na puso?

Pang-agham konsepto ng tissue engineering ay batay sa ideya ng pag-aayos at paglilinang ng mga buhay na mga cell (fibroblasts, stem cell, atbp) Sa isang gawa ng tao o natural na absorbable skeleton (matrix) na kumakatawan sa isang three-dimensional balbula istraktura, pati na rin ang paggamit ng mga signal na umayos ang expression ng mga gene, organisasyon at pagiging produktibo transplanted mga selula sa panahon ng pagbuo ng extracellular matrix.

Ang mga naturang artipisyal na mga balbula ng puso ay isinama sa tissue ng pasyente para sa huling pagpapanumbalik at karagdagang pagpapanatili ng istraktura at pag-andar nito. Kaya sa unang matrix bilang isang resulta ng mga cell operasyon (fibroblasts at myofibroblasts al.), Ang isang bagong frame kollagenoelastinovy o, mas tiyak, ekstraselyular matrix. Bilang isang resulta, ang optimal sa mga artipisyal na puso valves pamamagitan ng tissue engineering pamamaraan na kinakailangan ng pangkatawan istraktura at ang kanilang mga function na mas malapit sa mga katutubong, at magkaroon ng biomechanical kaya sa pagbagay, ang kakayahan upang ayusin at pag-unlad.

Ang tisyu sa engineering ay bubuo ng mga artipisyal na balbula ng puso gamit ang iba't ibang pinagmumulan ng pag-aani ng cell. Kaya, maaaring gamitin ang mga xenogeneic o allogeneic cell, bagaman ang dating ay nauugnay sa panganib ng zoonotic transportasyon sa mga tao. Upang mabawasan ang antigenicity at maiwasan ang mga reaksyon ng pagtanggi ng organismo ay posible sa pamamagitan ng genetic na pagbabago ng allogeneic cells. Ang tisyu ng engineering ay nangangailangan ng maaasahang pinagmulan ng produksyon ng cell. Ang pinagmulang ito ay mga autogenous na mga selula na kinuha nang direkta mula sa pasyente at hindi nagbibigay ng immune responses sa panahon ng reimplantation. Ang mabisang artipisyal na mga balbula ng puso ay ginawa batay sa mga selulang autologo na nagmula sa mga daluyan ng dugo (mga arterya at mga ugat). Upang makakuha ng purong mga kultura ng cell, isang paraan batay sa paggamit ng fluorescent activated cell sorting (FACS) ay binuo. Ang isang halo-halong populasyon ng cell na nagmula sa isang daluyan ng dugo ay may label na may isang acetylated, low-density, marker ng lipoprotein na pinipili nang buo sa ibabaw ng mga endotheliocytes. Endothelial cell ay maaaring pagkatapos ay madaling separated mula sa pangunahing mass ng mga cell na nakuha mula sa sasakyang-dagat na ay bibigyan ng isang timpla ng makinis na kalamnan cell, myofibroblasts at fibroblasts. Ang isang pinagmulan ng mga selula, ito ay isang arterya o isang ugat, ay makakaapekto sa mga katangian ng huling istraktura. Sa gayon, ang mga artipisyal na balbula ng puso na may isang matris na nahasik sa mga selula ng venous, sa mga tuntunin ng antas ng collagen formation at mekanikal na katatagan, ay higit sa mga istrukturang inihasik ng mga selulang arterya. Ang pagpili ng paligid veins parang isang mas maginhawang pinagmulan ng pagkuha ng cell.

Ang Myofibroblasts ay maaari ring makuha mula sa carotid arteries. Kasabay nito, ang mga selula na nakuha mula sa mga vessel ay mahalagang naiiba sa kanilang natural na interstitial cells. Ang mga autologous umbilical cord cells ay maaaring gamitin bilang alternatibong pinagmulan ng mga selula.

Artipisyal na mga balbula ng puso batay sa mga stem cell

Ang pag-usad ng tissue engineering sa mga nakaraang taon ay pinadali ng pananaliksik ng stem cell. Ang paggamit ng mga stem cell ng red bone marrow ay may mga pakinabang nito. Sa partikular, ang pagiging simple ng biomaterial sampling at sa vitro paglilinang na may kasunod na pagkita ng kaibhan sa iba't ibang uri ng mga mesenchymal na mga cell ay nagbibigay-daan upang maiwasan ang paggamit ng mga vessel na wala. Ang mga stem cell ay pluripotent na pinagmumulan ng mga mikrobyo ng selula, may natatanging mga katangiang pang-immunological na nakakatulong sa kanilang katatagan sa allogeneic na kondisyon.

Ang mga selulang stem ng buto ng tao ay nakuha sa pamamagitan ng sternal na pagbutas o pagbutas ng iliac crest. Ang mga ito ay nakahiwalay sa 10-15 ML ng sternum aspirate, na pinaghihiwalay mula sa iba pang mga selula at pinag-aralan. Pagkatapos maabot ang ninanais na cell number (karaniwan ay sa loob 21-28 araw) makabuo ng kanilang paghahasik (kolonisasyon) sa matrix ay pinag-aralan sa medium sa isang static na posisyon (para sa 7 araw sa isang humidified incubator sa 37 ° C sa presensya ng 5% CO2). Kasunod pagpapasigla ng cell paglago sa pamamagitan kupturalnuyu kapaligiran (biological stimuli) o physiological kondisyon sa pamamagitan ng paglikha ng tissue paglago sa panahon ng kanyang pagpapapangit sa isometric pagpaparami apparatus pulsed - bioreactor (mechanical stimuli). Ang mga fibroblast ay sensitibo sa mekanikal na stimuli na nagtataguyod ng kanilang paglago at pagganap na aktibidad. Pulsating daloy nagiging sanhi ng isang pagtaas sa parehong hugis ng bituin at circumferential deformations, na nagreresulta sa orientation (pagpahaba) cells populated na sa direksyon ng pagkilos ng tulad stresses. Ang mga lead na ito, sa turn, sa pagbuo ng oriented hibla istraktura ng flaps. Ang patuloy na daloy ay nagdudulot lamang ng tangential stresses sa mga pader. Ang pulsating flow ay may kapaki-pakinabang na epekto sa cell morpolohiya, paglaganap at komposisyon ng extracellular matrix. Ang likas na katangian ng mga pagkaing nakapagpalusog medium flow, mga kondisyon pisikal-kimikal (PH, PO2 at pCO2) sa isang bioreactor din makabuluhang iimpluwensya ng produksyon ng collagen. Kaya, ang laminar flow, cyclic eddy currents ay nagdaragdag sa produksyon ng collagen, na humahantong sa pinabuting mga katangian ng mekanikal.

Ang isa pang diskarte sa lumalagong mga istraktura ng tisyu ay upang lumikha ng mga kondisyon ng embryonic sa bioreactor sa halip na pagmomolde sa mga kondisyon ng physiological ng katawan ng tao. Nasa hustong gulang na stem cell tissue bioklapany ay may palipat-lipat flaps at plastic operably-off sa mataas na presyon at daloy, na lalampas sa physiological antas. Histological at histochemical aaral leaflets ng mga kaayusan ay nagpakita ang presensya sa mga ito ay aktibong tumatakbo proseso ng biodegradation ng matrix at papalitan ito viable tissue. Fabric laminate type nakaayos sa mga katangian ng ekstraselyular matrix protina, tulad na mga katangian ng katutubong tissue sa pamamagitan ng pagkakaroon ng collagen uri ko at III, at ng glycosaminoglycans. Gayunpaman, ang isang tipikal na tatlong-layered na istraktura ng mga valves - ventricular, spongy at fibrous layers - ay hindi nakuha. Natuklasan sa lahat ng mga fragment, ang ASMA-positibong mga cell na nagpapahayag ng vimentin ay may mga katangian katulad ng mga katangian ng myofibroblasts. Electron mikroskopya ng mga elemento ng cell ay natagpuan na maging katangian ng viable, aktibong nag-aalis myofibroblasts (actin / myosin filament, magkuwentuhan collagen, elastin) at sa ibabaw tela - endothelial cell.

Natagpuan ang mga kuwelyo ng I, III, ASMA at vimentin sa mga balbula. Ang mga mekanikal na katangian ng mga pakpak ng tissue at native na mga istraktura ay maihahambing. Ang tisyu ng mga artipisyal na balbula ng puso ay nagpakita ng mahusay na pagganap sa loob ng 20 linggo at katulad ng natural na anatomical na istruktura para sa kanilang microstructure, biochemical profile at pagbubuo ng isang protina na matris.

Ang lahat ng artipisyal na mga balbula ng puso, na nakuha sa pamamagitan ng pamamaraan ng engineering ng tisyu, ay itinanim sa posisyon ng pulmonaryo ng hayop, dahil ang kanilang mga mekanikal na katangian ay hindi tumutugma sa mga naglo-load sa posisyon ng aortic. Ang mga balbula ng tisyu na itinanim mula sa mga hayop ay katulad ng istruktura sa kanilang istraktura sa mga katutubo, na nagpapahiwatig ng kanilang karagdagang pag-unlad at pag-aayos sa ilalim ng mga kondisyon ng vivo. Kung ang proseso ng restructuring at pagkahinog sa tisyu ay magpapatuloy sa mga kondisyon ng physiological matapos ang mga artipisyal na balbula ng puso ay itinatanim, tulad ng naobserbahan sa mga eksperimento ng hayop, ang mga karagdagang pag-aaral ay ipapakita.

Ang ideyal na artipisyal na puso valves dapat magkaroon ng isang porosity ng hindi mas mababa sa 90% na ito sapagkat ito ay napakahalaga para sa paglago ng cell, ang paghahatid ng nutrients at pag-alis ng mga produkto cell metabolismo, Bilang karagdagan sa mga biocompatibility at biodegradability, artipisyal na puso valves ay dapat magkaroon ng chemically kanais-nais upang magbakuna cell ibabaw at sumasangayon nang wala sa loob mga katangian ng likas na tisyu. Ang antas ng biodegradation ng matrix ay dapat kontrolado at proporsyonal sa antas ng pagbuo ng bagong tissue upang matiyak ang isang garantiya ng mekanikal katatagan para sa isang tiyak na oras.

Sa kasalukuyan, ang synthetic at biological matrices ay binuo. Ang pinaka-karaniwang biological na materyales para sa paglikha ng mga matrices ay donor anatomical structures, collagen at fibrin. Ang polimerong artipisyal na mga balbula ng puso ay idinisenyo upang biodegrade pagkatapos ng pagtatanim sa lalong madaling magsimula ang mga implanted cells at mag-organisa ng kanilang sariling extracellular matrix network. Ang pagbuo ng isang bagong tisyu ng matrix ay maaaring regulated o stimulated ng mga kadahilanan ng paglago, cytokines o hormones.

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

Donor artificial heart valves

Donor artipisyal na puso valves na nakuha mula sa mga tao o hayop at walang wala ng cellular antigens sa pamamagitan detsellyulyarizatsii upang mabawasan ang kanilang mga immunogenicity, ay maaaring magamit bilang matrices. Ang mga napanatili na protina ng extracellular matrix ay ang batayan para sa kasunod na pagdirikit ng mga selulang nahuhugas. May mga sumusunod na pamamaraan para sa pag-alis ng cellular elemento (atsellyulyarizatsii): sobrang lamig, paggamot trypsin / EDTA, detergent - sosa dodecyl sulpate, sosa deoksikolatom, Triton X-100, MEGA 10, TnBR chaps, Tween 20, pati na rin ang multi-hakbang enzymatic paggamot pamamaraan. Inaalis nito ang cell membranes, nucleic acids, lipids, cytoplasmic mga istraktura at natutunaw matrix molecule na may pangangalaga ng collagen at elastin. Gayunpaman, ang isang perpektong paraan ay hindi pa natagpuan. Tanging sosa dodecyl sulpate (0.03-1%) o sosa deoksikolat (0.5-2%) na humantong sa kumpletong pag-aalis ng mga cell pagkatapos ng 24 oras paggamot.

Histological pagsusuri remote detsellyulyarizovannyh bioklapanov (allograft at xenograft) sa pang-eksperimentong mga hayop (aso at baboy) ay pinapakita na mayroong isang bahagyang paglaki patungo sa loob at endothelialization myofibroblasts recipient per base, walang mga palatandaan ng pagsasakaltsiyum. Ang binibigkas na moderately inflammatory infiltration ay nabanggit. Gayunpaman, sa mga klinikal na pagsubok ng decellularized SynerGraftTM na balbula, nabuo ang maagang kakulangan. Matrix ay natutukoy bioprosthesis ipinahayag nagpapasiklab reaksyon, na kung saan ay sa una di-tiyak at ay sinamahan ng lymphocytic reaksyon. Ang dysfunction at degeneration ng bioprosthesis ay binuo sa loob ng isang taon. Ang colonization ng cell ay hindi sinusunod sa mga cell, gayunpaman, ang calcification ng valves at preimplantation cells debris ay nakita.

Endothelial cell seeded acellular matrix at pinag-aralan sa sa vitro at sa mga kondisyon vivo nabuo magkaugnay na layer sa ibabaw ng flaps, at interstitial mga cell inoculated katutubong istraktura ay nagpakita ng kanilang mga kakayahan para sa pagkita ng kaibhan. Gayunpaman, upang makamit ang nais na physiological antas ng kolonyalismo sa mga cell matrix ay nabigo sa mga dynamic na mga kondisyon ng bioreactor, at ang implanted artipisyal na puso valves ay sinamahan ng sapat na mabilis (tatlong buwan) pampalapot dahil sa pinabilis na cell paglaganap at ekstraselyular matrix formation. Kaya, sa yugtong ito ang paggamit ng mga donor acellular matrices para sa kanilang kolonisasyon sa pamamagitan ng mga cell ay may isang bilang ng mga walang lutas problema kabilang ang 8 immunologic at nakahahawang likas na katangian ng trabaho detsellyulyarizovannymi bioprostheses patuloy.

Dapat pansinin na ang collagen ay isa rin sa mga potensyal na biolohikal na materyales para sa paggawa ng matrices na may kakayahang makaiwas sa biodegradation. Maaari itong gamitin sa anyo ng foam, gel o plates, sponges at bilang isang preform sa isang batayan ng fiber. Gayunpaman, ang paggamit ng collagen ay nauugnay sa isang bilang ng mga teknolohikal na kahirapan. Sa partikular, mahirap makuha mula sa pasyente. Samakatuwid, sa kasalukuyan, karamihan sa collagen matrices ay pinagmulan ng hayop. Ang maantala na biodegradation ng collagen ng hayop ay maaaring magdala ng mas mataas na peligro ng zoonotic na impeksiyon, maging sanhi ng mga pagtugon sa immunological at nagpapaalab.

Ang Fibrin ay isa pang biological na materyal na may kinokontrol na mga katangian ng biodegradation. Dahil ang fibrin gels 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 nagpapaalab na tugon. Gayunpaman, ang fibrin ay may tulad na mga kakulangan ng pagsasabog at pagsipsip sa kapaligiran at mababang mga katangian sa makina.

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

Mga artipisyal na balbula ng puso na gawa sa mga sintetikong materyal

Ang artipisyal na mga balbula ng puso ay gawa sa mga sintetikong materyales. Ang ilang mga pagtatangka sa paggawa valves matrices ay batay sa paggamit ng polyglactin, polyglycolic acid (PGA), polilakticheskoy acid (PLA), isang copolymer ng PGA at pla (PLGA) at polyhydroxyalkanoates (PHA). Ang mataas na porous gawa ng tao na materyales ay maaaring makuha mula sa pinagtagpi o di-pinagtagpi na mga fibre at gumagamit ng teknolohiya ng salt leaching. May pag-asa composite materyal (PGA / R4NV) para sa paggawa ng mga matrices na nakuha mula sa isang non-pinagtagpi loops polyglycolic acid (PGA), pinahiran na may poly-4-hydroxybutyrate (R4NV). Ang manufactured artificial heart valves mula sa materyal na ito ay isterilisado sa ethylene oxide. Gayunman, ang isang makabuluhang paunang higpit at kapal ng mga loop ng mga polymers, ang kanilang mabilis na at walang pigil marawal na kalagayan ay sinamahan ng release ng cytotoxic mga produkto ng acidic, ay nangangailangan ng higit pang pagsisiyasat at paghahanap para sa iba pang mga materyales.

Paggamit ng autologous tissue kultura plates myofibroblasts may pinag-aralan sa isang frame upang bumuo ng isang pag matrix sa pamamagitan ng stimulating ang produksyon ng mga cell na ito yielded samples na may aktibong valves viable cells na pinalilibutan ng ekstraselyular matrix. Gayunpaman, ang mga mekanikal na katangian ng mga tisyu ng mga balbula ay hindi sapat para sa kanilang pagtatanim.

Ang kinakailangang antas ng paglaganap at pagbabagong-buhay ng tisyu ng nilikha na balbula ay hindi maaaring makamit sa pamamagitan lamang ng pagsasama ng mga selula at ng matris. Ang expression ng cell gene at tissue formation ay maaaring regulated o stimulated sa pamamagitan ng pagdaragdag ng mga kadahilanan ng paglago, cytokines o hormones, mitogenic mga kadahilanan o mga kadahilanan ng adhesion sa matrices at matrices. Ang posibilidad ng pagpapasok ng mga regulators sa biomaterials ng matrix ay pinag-aralan. Sa pangkalahatan, mayroong isang malaking kakulangan ng pananaliksik sa regulasyon ng proseso ng balbula ng bituin sa pamamagitan ng biochemical stimuli.

Acellular parang baboy heterologous Matrix P baga bioprosthesis Binubuo detsellyulyarizovannoy tela ginagamot sa pamamagitan ng isang espesyal na patentadong AutoTissue GmbH procedure na binubuo ng antibyotiko paggamot, sodium deoxycholate at alak na ito sa pagpoproseso ng pamamaraan na pinagtibay ng International Organization para sa standardisasyon, ay nag-aalis lahat ng buhay na mga cell at postkletochnye istraktura (fibroblasts, endothelial cell, bacteria, virus, fungi, mycoplasma) Taglay arkitektura ng ekstraselyular matrix, binabawasan nito ang antas ng DNA at RNA sa tissue na minim MA, kung saan binabawasan sa zero ang posibilidad ng pagpapadala ng parang baboy endogenous retrovirus (perv) tao. Matrix P bioprosthesis ay binubuo ng eksklusibo ng collagen at elastin na may napapanatili structural integration.

Sa panahon ng mga eksperimento sa mga tupa ay nakarehistro minimum reaksyon mula sa mga nakapaligid na tissue sa 11 buwan matapos ang pagtatanim P Matrix bioprosthesis may mahusay na pagganap ng kanyang kaligtasan ng buhay, kung saan, sa partikular, ipinahayag sa kanyang makintab na panloob na ibabaw ng endocardium. Sa katunayan, walang mga nagpapasiklab na reaksyon, pagpapalapad at pagpapaikli ng flaps ng balbula. Ang isang mababang antas ng calcium ng tissue ng bioprosthesis ng Matrix P ay naitala rin, ang pagkakaiba ay makabuluhang istatistika kumpara sa ginagamot na glutaraldehyde.

Matrix P artipisyal na puso valves ay iniangkop sa mga kondisyon ng mga indibidwal na pasyente para sa ilang buwan pagkatapos pagtatanim. Sa pag-aaral sa pagtatapos ng panahon ng reference nagsiwalat na ng buo ekstraselyular matrix at alisan ng tubig endothelium. Xenografts Matrix R implanted sa hakbang Ross ginanap sa 50 pasyente na may sapul sa pagkabata depekto sa panahon ng 2002-2004, ay ipinapakita superior pagganap at mas mababang transvalvular presyon gradients kumpara sa cryopreserved at detsellyulyarizovannymi allograft SynerGraftMT, at frameless bioprostheses itinuturing na may glutaraldehyde. Matrix P Artipisyal puso valves para sa pulmonary artery balbula kapalit sa panahon tatag ng karapatan ventricular agos lagay sa surgery ng mga katutubo at nakuha defects at ang baga balbula prosthesis sa procedure Ross, ay magagamit sa apat na laki (inner diameter): Infant (15-17 mm ) mga bata (18-21 mm), intermediate (22-24 mm) at adult (25-28 mm).

Pag-usad sa pag-unlad ng Valve sa batayan ng tissue engineering ay depende sa ang tagumpay ng ang balbula cell biology (kabilang ang mga isyu sa gene expression at regulasyon), ang pag-aaral ng embryogenic at edad ng valves (kabilang ang angiogenic at neurogenic kadahilanan), tiyak na kaalaman sa biomechanics ng bawat balbula, kilalanin sapat para sa pag-aayos ng mga cell pag-unlad ng pinakamainam na matrices. Para sa karagdagang pag-unlad ng mas advanced na mga valves tissue, isang kumpletong-unawa ng ang relasyon sa pagitan ng mga makina at mga istruktura na mga katangian ng mga katutubong balbula at insentibo (biological o mechanical) upang muling likhain ang mga katangiang ito sa vitro.

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