Injap jantung buatan

Modern, tersedia untuk kegunaan klinikal, injap jantung buatan biologi, dengan pengecualian autograft paru-paru, adalah struktur yang tidak berdaya maju yang tidak mempunyai potensi pertumbuhan dan pembaikan tisu. Ini mengenakan batasan ketara ke atas penggunaannya, terutama pada kanak-kanak dalam pembetulan patologi valvular. Kejuruteraan tisu telah terbentuk sejak 15 tahun yang lalu. Tujuan hala tuju saintifik ini adalah penciptaan dalam keadaan tiruan struktur seperti injap jantung tiruan dengan permukaan tahan trombo dan interstitium yang berdaya maju.

[1], [2],

Bagaimana injap jantung tiruan dikembangkan?

Konsep saintifik kejuruteraan tisu adalah berdasarkan kepada idea menetap dan penanaman sel hidup (fibroblas, sel stem, dan lain-lain) Dalam rangka diserap sintetik atau asli (matriks) yang mewakili struktur injap tiga-dimensi, serta penggunaan isyarat yang mengawal ekspresi gen, organisasi dan produktiviti dipindahkan sel semasa tempoh pembentukan matriks ekstraselular.

Injap jantung buatan sedemikian disepadukan dengan tisu pesakit untuk pemulihan akhir dan penyelenggaraan selanjutnya terhadap struktur dan fungsinya. Oleh itu pada matriks awal akibat daripada sel-sel operasi (fibroblas dan myofibroblasts al.), Bingkai kollagenoelastinovy baru atau, lebih tepat lagi, matriks extracellular. Akibatnya, injap jantung buatan optimum yang dihasilkan oleh kaedah kejuruteraan tisu harus, dengan struktur dan fungsi anatomi mereka, mendekati orang asli, dan juga mempunyai kebolehan penyesuaian biomekanik, keupayaan untuk membaiki dan berkembang.

Kejuruteraan tisu mengembangkan injap jantung buatan menggunakan pelbagai sumber penuaian sel. Oleh itu, sel xenogeneik atau allogeneik boleh digunakan, walaupun bekas dikaitkan dengan risiko pengangkutan zoonotik kepada manusia. Untuk mengurangkan antigen dan mencegah tindak balas penolakan organisma adalah mungkin oleh pengubahsuaian genetik sel allogeneik. Kejuruteraan tisu memerlukan sumber pengeluaran sel yang dapat dipercayai. Sumber ini adalah sel autogenous yang diambil secara langsung dari pesakit dan tidak memberi tindak balas imun semasa reimplantasi. Injap jantung buatan yang berkesan dihasilkan berdasarkan sel-sel autologus yang berasal dari saluran darah (arteri dan urat). Untuk mendapatkan budaya sel murni, satu kaedah yang berasaskan penggunaan pengasingan sel diaktifkan fluoresen (FACS) telah dibangunkan. Penduduk sel bercampur diperolehi daripada saluran darah, dilabel Acetylated mempunyai ketumpatan rendah lipoprotein penanda yang terpilih diserap pada permukaan sel-sel endothelial. Sel-sel endothelial boleh kemudian dengan mudah dipisahkan daripada massa utama sel-sel yang diambil dari kapal-kapal yang akan dibentangkan dengan campuran licin sel-sel otot, myofibroblasts dan fibroblas. Satu sumber sel, sama ada arteri atau urat, akan menjejaskan sifat struktur akhir. Oleh itu, injap jantung tiruan dengan matriks yang disemai dengan sel vena, dari segi tahap pembentukan kolagen dan kestabilan mekanikal, melepasi struktur yang disemai oleh sel-sel arteri. Pilihan urat periferal nampaknya merupakan sumber penuaian sel yang lebih mudah.

Myofibroblast juga boleh diambil dari arteri karotid. Pada masa yang sama, sel-sel yang diperoleh dari kapal-kapal itu pada dasarnya berbeza dari sel-sel interstitial semulajadi mereka. Sel cord umbi autologous boleh digunakan sebagai sumber alternatif sel.

Injap jantung buatan berdasarkan sel stem

Kemajuan kejuruteraan tisu pada tahun-tahun kebelakangan ini difasilitasi oleh penyelidikan sel stem. Penggunaan sel stem sumsum tulang merah mempunyai kelebihannya. Khususnya, kesederhanaan pensampelan biomaterial dan penanaman in vitro dengan pembezaan seterusnya ke dalam pelbagai jenis sel mesenchymal membolehkan untuk mengelakkan penggunaan kapal utuh. Sel stem adalah sumber pluripoten kuman sel, mempunyai ciri imunologi yang unik yang menyumbang kepada kestabilan dalam keadaan allogeneik.

Sel stem sumsum tulang manusia diperolehi oleh tusukan sternal atau tusukan puncak iliac. Mereka terpencil dari 10-15 ml aspirat sternum, dipisahkan dari sel-sel lain dan berbudaya. Apabila mencapai jumlah sel yang dikehendaki (biasanya dalam masa 21-28 hari) menghasilkan menyemai mereka (penjajahan) dalam matriks digaul dalam medium dalam kedudukan statik (selama 7 hari dalam inkubator humidified pada 37 ° C di hadapan 5% CO2). Selepas itu rangsangan pertumbuhan sel melalui persekitaran kupturalnuyu (rangsangan biologi) atau keadaan fisiologi melalui pewujudan pertumbuhan tisu semasa ubah bentuk pada alat pembiakan isometrik berdenyut - bioreaktor (rangsangan mekanikal). Fibroblast sensitif terhadap rangsangan mekanikal yang mempromosikan pertumbuhan dan aktiviti fungsinya. Aliran denyutan menyebabkan peningkatan kedua-dua ubah bentuk radial dan circumferential, yang membawa kepada orientasi (pemanjangan) sel-sel yang dihuni dalam arah tindakan tegasan sedemikian. Ini membawa, seterusnya, kepada pembentukan struktur gentian berorientasikan flaps. Aliran berterusan hanya menyebabkan tekanan tangen di dinding. Aliran berdenyut mempunyai kesan yang baik terhadap morfologi sel, proliferasi dan komposisi matriks ekstraselular. Sifat aliran media nutrien, keadaan fiziko-kimia (pH, pO2 dan pCO2) dalam bioreaktor juga menjejaskan pengeluaran kolagen. Oleh itu, aliran laminar, arus eddy kitaran meningkatkan pengeluaran kolagen, yang membawa kepada sifat mekanik yang lebih baik.

Pendekatan lain dalam struktur tisu yang semakin meningkat adalah untuk mewujudkan keadaan embrio dalam bioreaktor daripada memodelkan keadaan fisiologi badan manusia. Dibina berdasarkan sel stem, bioclaps tisu mempunyai injap bergerak dan plastik yang berfungsi dengan baik ketika terdedah kepada tekanan tinggi dan aliran melebihi tahap fisiologi. Kajian histologi dan histokimia dari risalah-risalah ini menunjukkan kehadirannya dalam proses pemulihan biodegradasi secara aktif matriks dan penggantiannya dengan tisu yang berdaya maju. Tisu ini teratur dalam jenis berlamina dengan ciri-ciri protein matriks ekstraselular, sama dengan ciri-ciri tisu asli dengan kehadiran jenis I dan III kolagen dan glikosaminoglik. Bagaimanapun, struktur tiga lapisan yang lazim bagi injap - lapisan ventrikel, lembut dan berserabut - tidak diperolehi. Ditemui dalam semua serpihan, sel positif ASMA yang menyatakan vimentin mempunyai ciri-ciri yang serupa dengan ciri-ciri myofibroblast. Mikroskop elektron unsur-unsur sel yang untuk menjadi ciri berdaya maju, myofibroblasts aktif yg (actin / myosin filamen, benang kolagen, elastin) dan pada permukaan kain - sel-sel endothelial.

Kolar jenis I, III, ASMA dan vimentin ditemui pada injap. Sifat mekanik sayap tisu dan struktur asli adalah setanding. Injap jantung buatan tisu menunjukkan prestasi cemerlang selama 20 minggu dan menyerupai struktur anatom semula jadi untuk struktur mikro mereka, profil biokimia dan pembentukan matriks protein.

Semua injap jantung tiruan, yang diperolehi dengan kaedah kejuruteraan tisu, telah ditanam ke dalam kedudukan pulmonari oleh haiwan, kerana ciri mekanikal mereka tidak sesuai dengan beban dalam kedudukan aorta. Injap tisu yang diimplan dari haiwan adalah struktur yang sama dalam strukturnya kepada orang asli, yang menunjukkan perkembangan selanjutnya dan penyusunan semula di bawah dalam keadaan vivo. Sama ada proses penstrukturan semula dan pematangan tisu akan berterusan dalam keadaan fisiologi selepas injap jantung tiruan ditanamkan, seperti yang diperhatikan dalam eksperimen haiwan, kajian lanjut akan ditunjukkan.

Injap jantung tiruan ideal harus mempunyai keliangan yang tidak kurang daripada 90% kerana ia adalah penting untuk pertumbuhan sel, penghantaran nutrien dan penyingkiran produk metabolisme sel, Selain biocompatibility dan biodegradability, injap jantung tiruan harus mempunyai kimia yang menggalakkan menyuntik permukaan sel dan mematuhi mekanikal sifat tisu semulajadi. Tahap biodegradasi matriks mesti dikawal dan berkadar dengan tahap pembentukan tisu baru untuk memastikan jaminan kestabilan mekanikal untuk masa tertentu.

Pada masa ini, matriks sintetik dan biologi sedang dibangunkan. Bahan biologi yang paling biasa untuk menghasilkan matriks adalah struktur anatomi penderma, kolagen dan fibrin. Injap jantung buatan polimer direka untuk biodegrade selepas implantasi sebaik sahaja sel-sel yang ditanam mula menghasilkan dan mengatur rangkaian matriks ekstraselular mereka sendiri. Pembentukan tisu matriks baru boleh dikawal atau dirangsang oleh faktor pertumbuhan, sitokin atau hormon.

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

Donor injap jantung buatan

Donor injap jantung tiruan yang diambil dari manusia atau haiwan dan tidak mempunyai antigen selular dengan detsellyulyarizatsii untuk mengurangkan immunogenicity mereka, boleh digunakan sebagai matriks. Protein yang diawetkan dari matriks ekstraselular adalah asas bagi lekatan seterusnya sel-sel yang disemai. Terdapat kaedah-kaedah berikut untuk mengeluarkan unsur-unsur selular (atsellyulyarizatsii): pembekuan, rawatan trypsin / EDTA, bahan pencuci - sodium dodecyl sulfat, natrium deoksikolatom, Triton X-100, MEGA 10, TNBR Chaps, Tween 20, serta kaedah rawatan enzim pelbagai langkah. Ini membuang membran sel, asid nukleik, lipid, struktur sitoplasma dan molekul matriks larut dengan pemeliharaan kolagen dan elastin. Walau bagaimanapun, kaedah yang ideal masih belum dijumpai. Hanya dodecyl natrium sulfat (0.03-1%) atau sodium deoxycolate (0.5-2%) menghasilkan penyingkiran sel lengkap selepas rawatan 24 jam.

Pemeriksaan histologi jauh bioklapanov detsellyulyarizovannyh (allograft dan xenograft) dalam haiwan kajian (anjing dan babi) telah menunjukkan bahawa terdapat pertumbuhan ke separa dan endothelialization myofibroblasts penerima bagi setiap asas, tidak ada tanda-tanda dilihat. Penyakit infiltrasi kerap disebut. Walau bagaimanapun, dalam ujian klinikal bagi injap SynerGraftTM yang dilancarkan, kekurangan awal dikembangkan. Matriks ditentukan bioprosthesis melahirkan reaksi radang, yang pada mulanya tidak spesifik dan diiringi oleh tindak balas lymphocytic. Disfungsi dan kemerosotan bioprosthesis berkembang dalam masa satu tahun. Penjajahan sel tidak diperhatikan di dalam sel, bagaimanapun, kalsifikasi injap dan serpihan sel preimplantasi telah dikesan.

Sel-sel endothelial pemain pilihan matriks aselular dan berbudaya dalam in vitro dan dalam keadaan vivo membentuk sebuah lapisan koheren pada permukaan kepak, dan sel-sel celahan disuntik struktur speakers menunjukkan keupayaan mereka untuk perbezaan. Walau bagaimanapun, untuk mencapai tahap fisiologi yang dikehendaki penjajahan dalam sel-sel matriks gagal dalam keadaan dinamik bioreaktor, dan injap jantung tiruan ditanam diiringi cukup pantas (tiga bulan) penebalan disebabkan oleh percambahan sel dipercepatkan dan pembentukan matriks extracellular. Oleh itu, pada peringkat ini menggunakan kaedah matriks penderma aselular untuk penjajahan mereka oleh sel-sel mempunyai beberapa masalah yang tidak dapat diselesaikan termasuk 8 sifat immunologic dan berjangkit daripada bioprostheses kerja detsellyulyarizovannymi berterusan.

Harus diingat bahawa kolagen juga merupakan salah satu bahan biologi berpotensi untuk pembuatan matriks yang mampu biodegradasi. Ia boleh digunakan dalam bentuk buih, gel atau plat, span dan sebagai preform pada asas serat. Walau bagaimanapun, penggunaan kolagen dikaitkan dengan beberapa masalah teknologi. Khususnya, sukar diperoleh dari pesakit. Oleh itu, pada masa ini, kebanyakan matriks kolagen berasal dari haiwan. Biodegradasi tertunda kolagen haiwan boleh membawa peningkatan risiko jangkitan zoonosis, menyebabkan tindak balas imunologi dan inflamasi.

Fibrin adalah bahan biologi yang lain dengan ciri-ciri terkawal biodegradasi. Oleh kerana gel fibrin boleh dibuat dari darah pesakit untuk pembuatan matriks autologus, implan struktur tersebut tidak akan menyebabkan kemerosotan toksik dan tindak balas keradangan. Walau bagaimanapun, fibrin mempunyai kelemahan seperti penyebaran dan pencairan ke dalam alam sekitar dan ciri-ciri mekanikal yang rendah.

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

Injap jantung buatan yang diperbuat daripada bahan sintetik

Injap jantung buatan juga dibuat daripada bahan sintetik. Beberapa percubaan untuk mengeluarkan injap matriks adalah berdasarkan penggunaan polyglactin, asid polyglycolic (PGA), asid polilakticheskoy (PLA), kopolimer PGA dan PLA (PLGA) dan polyhydroxyalkanoates (PHA). Bahan sintetik yang sangat berliang boleh didapati daripada gentian tenun atau bukan tenunan dan menggunakan teknologi pelarut garam. Menjanjikan bahan komposit (PGA / R4NV) untuk mengeluarkan matriks yang diperoleh daripada gelung bukan tenunan asid polyglycolic (PGA), disalut dengan poli-4-hydroxybutyrate (R4NV). Injap jantung buatan dibuat dari bahan ini disterilkan dengan etilena oksida. Walau bagaimanapun, kekakuan awal penting dan ketebalan gelung polimer ini, kemerosotan pesat dan tidak terkawal mereka disertai oleh pelepasan produk sitotoksik berasid, memerlukan siasatan lanjut dan mencari bahan-bahan lain.

Menggunakan autologous plat kultur tisu myofibroblasts diternak pada rangka untuk membentuk matriks sokongan dengan merangsang pengeluaran sel-sel ini menghasilkan sampel dengan injap aktif sel yang hidup dikelilingi oleh matriks extracellular. Walau bagaimanapun, sifat mekanik tisu-tisu ini tidak mencukupi untuk implantasi mereka.

Tahap perkembangan dan pembaharuan semula tisu injap yang diciptakan tidak dapat dicapai dengan hanya menggabungkan sel-sel dan matriks. Ungkapan gen sel dan pembentukan tisu dapat diatur atau dirangsang oleh penambahan faktor pertumbuhan, sitokin atau hormon, faktor mitogenik atau faktor adhesi dalam matriks dan matriks. Kemungkinan memperkenalkan pengawal selia ini ke dalam biomaterials matriks sedang dikaji. Secara umum, terdapat kekurangan penyelidikan mengenai pengawalan proses pembentukan injap tisu oleh rangsangan biokimia.

Aselular babi heterologus Matrix P bioprosthesis paru-paru terdiri daripada kain detsellyulyarizovannoy dirawat dengan prosedur AutoTissue GmbH dipatenkan khas yang terdiri daripada rawatan antibiotik, natrium deoxycholate dan alkohol Kaedah pemprosesan yang diterima pakai oleh Pertubuhan Standardisasi Antarabangsa, menghapuskan semua sel hidup dan struktur postkletochnye (fibroblas, sel-sel endothelial, bakteria, virus, kulat, mycoplasma) mengekalkan seni bina matriks extracellular, ia mengurangkan tahap DNA dan RNA dalam tisu untuk Minim mA, yang mengurangkan kepada sifar kebarangkalian penghantaran orang babi retrovirus dalaman (perv). Matrix P bioprosthesis terdiri secara eksklusif daripada kolagen dan elastin dengan integrasi struktur dipelihara.

Dalam uji kaji ke atas biri-biri telah didaftarkan reaksi minimum dari tisu sekeliling dalam tempoh 11 bulan selepas implantasi P Matrix bioprosthesis dengan prestasi yang baik untuk hidup, yang, khususnya, dimanifestasikan dalam permukaan dalaman berkilat daripada Endokardium itu. Malah, tiada reaksi keradangan, penebalan dan pemendekan kepak injap. Tahap kalsium yang rendah dalam tisu bioprosthesis Matrix P juga direkodkan, perbezaannya secara statistik adalah signifikan berbanding dengan glutaraldehyde yang dirawat.

Matrix P injap jantung buatan disesuaikan dengan keadaan pesakit individu untuk beberapa bulan selepas implantasi. Dalam kajian ini pada akhir tempoh rujukan yang mendedahkan utuh extracellular matrix dan longkang endothelium. Xenografts Matrix R diimplan dalam langkah Ross dilakukan dalam 50 pesakit dengan kecacatan kongenital dalam tempoh dari 2002 hingga 2004, telah menunjukkan prestasi yang tinggi dan kecerunan tekanan transvalvular lebih rendah berbanding dengan bioprostheses dikrioawet dan detsellyulyarizovannymi allograft SynerGraftMT dan frameless dirawat dengan glutaraldehyde. Matrix P injap tiruan jantung untuk penggantian injap arteri paru-paru semasa pembinaan semula hak saluran aliran keluar ventrikel dalam pembedahan kongenital dan kecacatan diperolehi dan prostesis injap pulmonari di prosedur Ross, boleh didapati dalam empat saiz (diameter dalaman): Bayi (15-17 mm ) kanak-kanak (18-21 mm), pertengahan (22-24 mm) dan dewasa (25-28 mm).

Kemajuan dalam pembangunan injap atas dasar kejuruteraan tisu akan bergantung kepada kejayaan biologi sel injap (termasuk isu-isu gen dan peraturan), kajian embriogenik dan umur injap (termasuk faktor angiogenik dan neurogenik), pengetahuan yang tepat biomekanik setiap injap, mengenal pasti mencukupi untuk menyelesaikan sel pembangunan matriks optimum. Untuk pembangunan lebih injap tisu maju, pemahaman yang lengkap hubungan di antara ciri-ciri mekanikal dan struktur injap asli dan insentif (biologi atau mekanikal) untuk mencipta ciri-ciri ini dalam vitro.

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