Injap jantung buatan

Injap jantung tiruan biologi moden yang tersedia untuk kegunaan klinikal, dengan pengecualian autograf pulmonari, adalah struktur tidak berdaya maju yang tidak mempunyai potensi untuk pertumbuhan dan pembaikan tisu. Ini mengenakan had yang ketara ke atas penggunaannya, terutamanya pada kanak-kanak, untuk pembetulan patologi injap. Kejuruteraan tisu telah berkembang sejak 15 tahun yang lalu. Matlamat arah saintifik ini adalah untuk mencipta dalam keadaan buatan seperti struktur seperti injap jantung buatan dengan permukaan tahan trombo dan interstitium yang berdaya maju.

[ 1 ], [ 2 ]

Bagaimanakah injap jantung tiruan dibangunkan?

Konsep saintifik kejuruteraan tisu adalah berdasarkan idea untuk mengisi dan mengembangkan sel hidup (fibroblas, sel stem, dll.) dalam perancah sintetik atau semulajadi yang boleh diserap (matriks), iaitu struktur injap tiga dimensi, serta penggunaan isyarat yang mengawal ekspresi gen, organisasi dan produktiviti sel yang dipindahkan semasa tempoh pembentukan matriks ekstraselular.

Injap jantung tiruan sedemikian disepadukan dengan tisu pesakit untuk pemulihan terakhir dan penyelenggaraan selanjutnya struktur dan fungsinya. Dalam kes ini, rangka kerja kolagen-elastin baharu atau, lebih tepat lagi, matriks ekstraselular terbentuk pada matriks asal hasil daripada fungsi sel (fibroblas, myofibroblas, dll.). Akibatnya, injap jantung tiruan optimum yang dicipta oleh kejuruteraan tisu harus dekat dengan yang asli dari segi struktur dan fungsi anatomi, dan juga mempunyai kebolehsuaian biomekanikal, keupayaan untuk pembaikan dan pertumbuhan.

Kejuruteraan tisu membangunkan injap jantung buatan menggunakan pelbagai sumber pengumpulan sel. Oleh itu, sel xenogeneik atau alogenik boleh digunakan, walaupun yang pertama dikaitkan dengan risiko penghantaran zoonosis kepada manusia. Ia adalah mungkin untuk mengurangkan antigen dan mencegah tindak balas penolakan badan dengan pengubahsuaian genetik sel alogenik. Kejuruteraan tisu memerlukan sumber sel yang boleh dipercayai. Sumber sedemikian adalah sel autogen yang diambil terus daripada pesakit dan tidak menghasilkan tindak balas imun semasa implantasi semula. Injap jantung tiruan yang berkesan dihasilkan berdasarkan sel autologus yang diperoleh daripada saluran darah (arteri dan urat). Kaedah berdasarkan penggunaan penyisihan sel diaktifkan pendarfluor - FACS telah dibangunkan untuk mendapatkan kultur sel tulen. Populasi sel campuran yang diperoleh daripada saluran darah dilabelkan dengan penanda lipoprotein berketumpatan rendah asetilasi, yang diserap secara selektif pada permukaan endotheliocytes. Sel-sel endothelial kemudiannya boleh dengan mudah dipisahkan daripada sebahagian besar sel yang diperolehi daripada vesel, yang akan menjadi campuran sel otot licin, myofibroblas, dan fibroblas. Sumber sel, sama ada arteri atau vena, akan menjejaskan sifat binaan akhir. Oleh itu, injap jantung tiruan dengan matriks berbiji dengan sel vena lebih unggul dalam pembentukan kolagen dan kestabilan mekanikal untuk membina berbiji dengan sel arteri. Pilihan vena periferal nampaknya merupakan sumber pengumpulan sel yang lebih mudah.

Myofibroblast juga boleh dituai daripada arteri karotid. Walau bagaimanapun, sel yang berasal dari vesel mempunyai ciri yang berbeza dengan ketara daripada sel interstisial semula jadi. Sel tali pusat autologous boleh digunakan sebagai sumber sel alternatif.

Injap Jantung Tiruan Berdasarkan Sel Stem

Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, kemajuan dalam kejuruteraan tisu telah difasilitasi oleh penyelidikan sel stem. Penggunaan sel stem sumsum tulang merah mempunyai kelebihannya. Khususnya, kesederhanaan pengumpulan biomaterial dan penanaman in vitro dengan pembezaan seterusnya ke dalam pelbagai jenis sel mesenchymal membolehkan mengelakkan penggunaan vesel utuh. Sel stem ialah sumber pluripoten bagi keturunan sel dan mempunyai ciri imunologi unik yang menyumbang kepada kestabilan mereka dalam keadaan alogenik.

Sel stem sumsum tulang merah manusia diperolehi dengan tusukan sternum atau tusukan puncak iliac. Mereka diasingkan daripada 10-15 ml sternum aspirate, dipisahkan daripada sel lain dan dikultur. Apabila mencapai bilangan sel yang diperlukan (biasanya dalam masa 21-28 hari), ia disemai (dijajah) pada matriks dan dibiakkan dalam medium nutrien dalam kedudukan statik (selama 7 hari dalam inkubator lembap pada 37 °C dengan kehadiran 5% CO2). Selepas itu, pertumbuhan sel dirangsang melalui medium cuptura (rangsangan biologi) atau dengan mewujudkan keadaan fisiologi untuk pertumbuhan tisu semasa ubah bentuk isometriknya dalam radas pembiakan dengan aliran berdenyut - bioreaktor (rangsangan mekanikal). Fibroblas sensitif kepada rangsangan mekanikal yang menggalakkan pertumbuhan dan aktiviti fungsinya. Aliran berdenyut menyebabkan peningkatan dalam kedua-dua ubah bentuk jejari dan lilitan, yang membawa kepada orientasi (pemanjangan) sel yang dihuni ke arah tegasan tersebut. Ini, seterusnya, membawa kepada pembentukan struktur berserabut berorientasikan injap. Aliran yang berterusan menyebabkan hanya tegasan tangen pada dinding. Aliran berdenyut mempunyai kesan yang baik terhadap morfologi selular, percambahan dan komposisi matriks ekstraselular. Sifat aliran medium nutrien, keadaan fizikokimia (pH, pO2 dan pCO2) dalam bioreaktor juga mempengaruhi pengeluaran kolagen dengan ketara. Oleh itu, aliran laminar, arus pusaran kitaran meningkatkan pengeluaran kolagen, yang membawa kepada sifat mekanikal yang lebih baik.

Satu lagi pendekatan untuk membina struktur tisu adalah untuk mencipta keadaan embrio dalam bioreaktor dan bukannya mensimulasikan keadaan fisiologi tubuh manusia. Biovalve tisu yang ditanam berdasarkan sel stem mempunyai flap mudah alih dan fleksibel, mampu berfungsi di bawah pengaruh tekanan tinggi dan aliran melebihi tahap fisiologi. Kajian histologi dan histokimia kepak struktur ini menunjukkan kehadiran proses aktif pemusnahan matriks dan penggantiannya dengan tisu berdaya maju. Tisu disusun mengikut jenis berlapis dengan ciri-ciri protein matriks ekstraselular yang serupa dengan tisu asli, kehadiran kolagen jenis I dan III dan glikosaminoglikan. Walau bagaimanapun, struktur tiga lapisan tipikal flap - lapisan ventrikel, spongy dan berserabut - tidak diperolehi. Sel positif ASMA yang mengekspresikan vimentin yang terdapat dalam semua serpihan mempunyai ciri yang serupa dengan myofibroblas. Mikroskopi elektron mendedahkan unsur selular dengan ciri ciri myofibroblas aktif yang merembes (filamen aktin/myosin, benang kolagen, elastin) dan sel endothelial pada permukaan tisu.

Kolagen jenis I, III, ASMA dan vimentin telah dikesan pada risalah. Sifat mekanikal risalah tisu dan struktur asli adalah setanding. Injap jantung tiruan tisu menunjukkan prestasi cemerlang selama 20 minggu dan menyerupai struktur anatomi semula jadi dalam struktur mikro, profil biokimia dan pembentukan matriks proteinnya.

Semua injap jantung buatan yang diperolehi oleh kejuruteraan tisu telah ditanam pada haiwan dalam kedudukan pulmonari, kerana ciri mekanikalnya tidak sepadan dengan beban dalam kedudukan aorta. Injap tisu yang dieksplantasi daripada haiwan adalah struktur yang hampir dengan yang asli, yang menunjukkan perkembangan selanjutnya dan penstrukturan semula dalam vivo. Sama ada proses penyusunan semula dan pematangan tisu akan berterusan di bawah keadaan fisiologi selepas injap jantung tiruan ditanam, seperti yang diperhatikan dalam eksperimen haiwan, akan ditunjukkan oleh kajian lanjut.

Injap jantung tiruan yang ideal harus mempunyai keliangan sekurang-kurangnya 90%, kerana ini penting untuk pertumbuhan sel, penghantaran nutrien dan penyingkiran produk metabolik selular. Selain biokompatibiliti dan biodegradasi, injap jantung tiruan harus mempunyai permukaan yang sesuai secara kimia untuk pembenihan sel dan sepadan dengan sifat mekanikal tisu semula jadi. Tahap biodegradasi matriks harus dikawal dan berkadar dengan tahap pembentukan tisu baru untuk memastikan kestabilan mekanikal dari semasa ke semasa.

Pada masa ini, matriks sintetik dan biologi sedang dibangunkan. Bahan biologi yang paling biasa untuk mencipta matriks ialah struktur anatomi penderma, kolagen dan fibrin. Injap jantung tiruan polimer sedang direka untuk terbiodegradasi selepas implantasi, sebaik sahaja sel yang diimplan 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 ]

Injap jantung tiruan penderma

Injap jantung tiruan penderma yang diperoleh daripada manusia atau haiwan dan kehabisan antigen selular melalui penyahselularan untuk mengurangkan imunogenisitasnya boleh digunakan sebagai matriks. Protein terpelihara matriks ekstraselular adalah asas untuk lekatan seterusnya sel berbiji. Kaedah berikut untuk mengeluarkan unsur selular (acellularization) wujud: pembekuan, rawatan dengan trypsin/EDTA, detergen - natrium dodecyl sulfate, natrium deoxycolate, Triton X-100, MEGA 10, TnBR CHAPS, Tween 20, serta kaedah rawatan enzimatik pelbagai peringkat. Dalam kes ini, membran sel, asid nukleik, lipid, struktur sitoplasma dan molekul matriks larut dikeluarkan sambil mengekalkan kolagen dan elastin. Walau bagaimanapun, kaedah yang ideal masih belum ditemui. Hanya natrium dodesil sulfat (0.03-1%) atau natrium deoksikolat (0.5-2%) yang menghasilkan penyingkiran sel lengkap selepas 24 jam rawatan.

Pemeriksaan histologi biovalves deselular yang dikeluarkan (allograf dan xenograf) dalam eksperimen haiwan (anjing dan babi) menunjukkan separa endothelialization dan pertumbuhan dalam myofibroblas penerima ke dalam pangkalan, tanpa tanda-tanda kalsifikasi. Penyusupan keradangan sederhana telah diperhatikan. Walau bagaimanapun, kegagalan awal berkembang semasa ujian klinikal injap SynerGraftTM yang dinyahselularkan. Reaksi keradangan yang ketara dikesan dalam matriks bioprosthesis, yang pada mulanya tidak spesifik dan disertai dengan tindak balas limfositik. Disfungsi dan degenerasi bioprosthesis dibangunkan dalam tempoh satu tahun. Tiada kolonisasi sel matriks dicatatkan, tetapi kalsifikasi injap dan sisa sel praimplantasi dikesan.

Matriks bebas sel yang disemai dengan sel endothelial dan dikultur secara in vitro dan in vivo membentuk lapisan yang koheren pada permukaan injap, dan sel interstisial berbiji bagi struktur asli menunjukkan keupayaan mereka untuk membezakan. Walau bagaimanapun, adalah tidak mungkin untuk mencapai tahap fisiologi yang diperlukan kolonisasi sel pada matriks di bawah keadaan dinamik bioreaktor, dan injap jantung tiruan yang diimplan disertai dengan penebalan yang agak cepat (tiga bulan) disebabkan oleh percambahan sel yang dipercepatkan dan pembentukan matriks ekstraselular. Oleh itu, pada peringkat ini, penggunaan matriks bebas sel penderma untuk penjajahan mereka dengan sel mempunyai beberapa masalah yang tidak dapat diselesaikan, termasuk masalah imunologi dan berjangkit; kerja pada bioprostesis deselular berterusan.

Perlu diingatkan bahawa kolagen juga merupakan salah satu bahan biologi yang berpotensi untuk penghasilan matriks yang mampu terbiodegradasi. Ia boleh digunakan dalam bentuk buih, gel atau plat, span dan sebagai kosong berasaskan serat. Walau bagaimanapun, penggunaan kolagen dikaitkan dengan beberapa kesukaran teknologi. Khususnya, ia sukar diperoleh daripada pesakit. Oleh itu, pada masa ini, kebanyakan matriks kolagen adalah berasal dari haiwan. Biodegradasi kolagen haiwan yang perlahan mungkin membawa peningkatan risiko jangkitan zoonosis, menyebabkan tindak balas imunologi dan keradangan.

Fibrin adalah satu lagi bahan biologi dengan ciri biodegradasi terkawal. Memandangkan gel fibrin boleh dibuat daripada darah pesakit untuk penghasilan matriks autologus seterusnya, implantasi struktur sedemikian tidak akan menyebabkan degradasi toksik dan tindak balas keradangan. Walau bagaimanapun, fibrin mempunyai kelemahan seperti resapan dan larut lesap ke dalam persekitaran dan sifat mekanikal yang rendah.

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

Injap jantung tiruan diperbuat daripada bahan sintetik

Injap jantung tiruan juga diperbuat daripada bahan sintetik. Beberapa percubaan untuk mengeluarkan matriks injap adalah berdasarkan penggunaan polyglactin, polyglycolic acid (PGA), polylactic acid (PLA), PGA dan PLA copolymer (PLGA) dan polyhydroxyalkanoates (PHA). Bahan sintetik berliang tinggi boleh didapati daripada gentian jalinan atau bukan jalinan dan menggunakan teknologi larut lesap garam. Bahan komposit yang menjanjikan (PGA/P4HB) untuk pembuatan matriks diperoleh daripada gelung asid polyglycolic (PGA) yang tidak berjalin yang disalut dengan poli-4-hidroksibutirat (P4HB). Injap jantung tiruan yang dihasilkan daripada bahan ini disterilkan dengan etilena oksida. Walau bagaimanapun, ketegaran awal dan ketebalan gelung polimer ini yang ketara, degradasinya yang cepat dan tidak terkawal, disertai dengan pembebasan produk sitotoksik berasid, memerlukan penyelidikan lanjut dan pencarian bahan lain.

Penggunaan plat kultur tisu myofibroblast autologous yang dikultur pada perancah untuk membentuk matriks sokongan dengan merangsang pengeluaran sel-sel ini telah memungkinkan untuk mendapatkan sampel injap dengan sel-sel berdaya aktif yang dikelilingi oleh matriks ekstraselular. Walau bagaimanapun, sifat mekanikal tisu injap ini masih tidak mencukupi untuk implantasinya.

Tahap percambahan dan penjanaan semula tisu yang diperlukan bagi injap yang dicipta mungkin tidak dapat dicapai dengan menggabungkan sel dan matriks sahaja. Ekspresi gen sel dan pembentukan tisu boleh dikawal atau dirangsang dengan menambahkan faktor pertumbuhan, sitokin atau hormon, faktor mitogenik atau faktor lekatan pada matriks dan perancah. Kemungkinan untuk memperkenalkan pengawal selia ini ke dalam biomaterial matriks sedang dikaji. Secara keseluruhannya, terdapat kekurangan penyelidikan yang ketara mengenai pengawalseliaan pembentukan injap tisu oleh rangsangan biokimia.

Bioprostesis paru-paru xenogeneik babi aselular Matriks P terdiri daripada tisu nyahselular yang diproses oleh prosedur khas AutoTissue GmbH yang dipatenkan, termasuk rawatan dengan antibiotik, natrium deoksikolat dan alkohol. Kaedah pemprosesan ini, yang diluluskan oleh Pertubuhan Standardisasi Antarabangsa, menghapuskan semua sel hidup dan struktur pasca selular (fibroblas, sel endothelial, bakteria, virus, kulat, mikoplasma), mengekalkan seni bina matriks ekstraselular, mengurangkan tahap DNA dan RNA dalam tisu kepada minimum, yang mengurangkan kepada sifar kebarangkalian penghantaran babi babi (PERV endogen) kepada retrovirus. Bioprosthesis Matrix P terdiri secara eksklusif daripada kolagen dan elastin dengan integrasi struktur yang terpelihara.

Dalam eksperimen biri-biri, tindak balas minimum daripada tisu sekeliling direkodkan 11 bulan selepas implantasi bioprosthesis Matrix P dengan kadar kelangsungan hidup yang baik, yang amat ketara pada permukaan dalaman berkilat endokardiumnya. Tindak balas keradangan, penebalan dan pemendekan risalah injap hampir tiada. Tahap kalsium tisu rendah dalam bioprostesis Matrix P juga direkodkan, perbezaannya adalah ketara secara statistik berbanding dengan yang dirawat dengan glutaraldehid.

Injap jantung tiruan Matrix P menyesuaikan diri dengan keadaan pesakit individu dalam masa beberapa bulan selepas implantasinya. Peperiksaan pada penghujung tempoh kawalan mendedahkan matriks ekstraselular yang utuh dan endothelium konfluen. Matrix R xenograft yang ditanam dalam 50 pesakit dengan kecacatan kongenital semasa prosedur Ross antara 2002 dan 2004 menunjukkan prestasi unggul dan kecerunan tekanan transvalvular yang lebih rendah berbanding allograf SynerGraftMT yang dipelihara dan dinyahselular dan bioprostesis tanpa perancah yang dirawat dengan glutaraldehid. Injap jantung tiruan Matriks P bertujuan untuk penggantian injap pulmonari semasa pembinaan semula saluran aliran keluar ventrikel kanan dalam pembedahan untuk kecacatan kongenital dan diperolehi dan semasa penggantian injap pulmonari semasa prosedur Ross. Mereka boleh didapati dalam 4 saiz (mengikut diameter dalaman): untuk bayi baru lahir (15-17 mm), untuk kanak-kanak (18-21 mm), pertengahan (22-24 mm) dan dewasa (25-28 mm).

Kemajuan dalam pembangunan injap kejuruteraan tisu akan bergantung pada kemajuan dalam biologi sel injap (termasuk isu ekspresi gen dan peraturan), kajian perkembangan injap embriogenik dan berkaitan usia (termasuk faktor angiogenik dan neurogenik), pengetahuan yang tepat tentang biomekanik setiap injap, pengenalpastian sel yang mencukupi untuk pembenihan, dan pembangunan matriks optimum. Pembangunan selanjutnya injap tisu yang lebih maju akan memerlukan pemahaman yang menyeluruh tentang hubungan antara ciri mekanikal dan struktur injap asli dan rangsangan (biologi dan mekanikal) untuk mencipta semula ciri-ciri ini secara in vitro.

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