Valvole cardiache artificiali

Moderni, disponibili per uso clinico, valvole cardiache artificiali biologiche, ad eccezione dell'innesto polmonare, sono strutture non vitali che non hanno il potenziale per la crescita e la riparazione dei tessuti. Ciò impone limitazioni significative al loro uso, specialmente nei bambini nella correzione della patologia valvolare. L'ingegneria dei tessuti si è formata negli ultimi 15 anni. Lo scopo di questa direzione scientifica è la creazione in condizioni artificiali di strutture come le valvole cardiache artificiali con una superficie trombo-resistente e l'interstizio vitale.

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Come si sviluppano le valvole cardiache artificiali?

Concetto scientifico di ingegneria tissutale si basa sull'idea di sedimentazione e coltivazione di cellule viventi (fibroblasti, cellule staminali, ecc) in uno scheletro assorbibile sintetica o naturale (matrice) che rappresentano una struttura di valvola tridimensionale, così come l'uso di segnali che regolano l'espressione di geni, organizzazione e produttività trapiantato cellule durante il periodo di formazione della matrice extracellulare.

Tali valvole cardiache artificiali sono integrate con il tessuto del paziente per il restauro finale e l'ulteriore mantenimento della sua struttura e funzione. Quindi sulla matrice iniziale a causa delle cellule di funzionamento (fibroblasti e miofibroblasti al.), Un nuovo kollagenoelastinovy telaio o, più precisamente, matrice extracellulare. Di conseguenza, le valvole cardiache artificiali ottimali create con il metodo dell'ingegneria tissutale dovrebbero, per la loro struttura e funzione anatomica, avvicinarsi a quella nativa e avere anche adattabilità biomeccanica, capacità di riparazione e crescita.

L'ingegneria tissutale sviluppa valvole cardiache artificiali utilizzando varie fonti di raccolta cellulare. Pertanto, possono essere utilizzate cellule xenogeniche o allogeniche, sebbene le prime siano associate al rischio di trasporto zoonotico nell'uomo. Per ridurre l'antigenicità e prevenire reazioni di rigetto dell'organismo è possibile modificando geneticamente le cellule allogeniche. L'ingegneria tissutale richiede una fonte affidabile di produzione di celle. Questa fonte è cellule autogeniche prese direttamente dal paziente e non danno risposte immunitarie durante il reimpianto. Valvole cardiache artificiali efficaci sono prodotte sulla base di cellule autologhe derivate da vasi sanguigni (arterie e vene). Per ottenere colture cellulari pure, è stato sviluppato un metodo basato sull'uso di FACS (Cellescent Activated Sorting). Una popolazione di cellule miste derivata da un vaso sanguigno è etichettata con un marcatore di lipoproteina a bassa densità acetilata che viene selettivamente assorbito sulla superficie degli endoteliociti. Gli endoteliociti possono successivamente essere facilmente separati dalla maggior parte delle cellule derivate dai vasi, che saranno rappresentati da una miscela di cellule muscolari lisce, miofibroblasti e fibroblasti. Una fonte di cellule, sia essa un'arteria o una vena, influenzerà le proprietà della struttura finale. Pertanto, le valvole cardiache artificiali con una matrice seminata con cellule venose, in termini di grado di formazione di collagene e stabilità meccanica, superano le strutture seminate dalle cellule arteriose. La scelta delle vene periferiche sembra essere una fonte più conveniente di raccolta cellulare.

I miofibroblasti possono anche essere prelevati dalle arterie carotidi. Allo stesso tempo, le cellule ottenute dalle navi essenzialmente differiscono dalle loro cellule interstiziali naturali. Le cellule del cordone ombelicale autologo possono essere utilizzate come fonte alternativa di cellule.

Valvole cardiache artificiali basate su cellule staminali

Il progresso dell'ingegneria dei tessuti negli ultimi anni è facilitato dalla ricerca sulle cellule staminali. L'uso di cellule staminali del midollo osseo rosso ha i suoi vantaggi. In particolare, la semplicità del campionamento del biomateriale e della coltura in vitro con successiva differenziazione in vari tipi di cellule mesenchimali consente di evitare l'uso di vasi intatti. Le cellule staminali sono fonti pluripotenti di germi cellulari, hanno caratteristiche immunologiche uniche che contribuiscono alla loro stabilità in condizioni allogeniche.

Le cellule staminali del midollo osseo umano sono ottenute per puntura sternale o puntura della cresta iliaca. Sono isolati da 10-15 ml di sterno aspirato, separati da altre cellule e coltivati. Al raggiungimento del numero di cellule desiderato (di solito entro 21-28 giorni) producono loro semina (colonizzazione) nella matrice è coltivato nel mezzo in una posizione statica (per 7 giorni in un incubatore umidificato a 37 ° C in presenza di 5% CO2). Successivamente la stimolazione della crescita cellulare attraverso l'ambiente kupturalnuyu (stimoli biologico) o condizioni fisiologiche attraverso la creazione di crescita del tessuto durante la sua deformazione apparecchio di riproduzione isometrica pulsata - bioreattore (sollecitazioni meccaniche). I fibroblasti sono sensibili agli stimoli meccanici che promuovono la loro crescita e l'attività funzionale. Il flusso pulsante provoca un aumento delle deformazioni sia radiali che circonferenziali, che porta all'orientamento (allungamento) delle cellule popolate nella direzione di azione di tali sollecitazioni. Ciò porta, a sua volta, alla formazione di strutture di fibre orientate dei lembi. Un flusso costante provoca solo tensioni tangenziali sulle pareti. Il flusso pulsante ha un effetto benefico sulla morfologia cellulare, sulla proliferazione e sulla composizione della matrice extracellulare. Anche la natura del flusso del mezzo nutritivo, le condizioni fisico-chimiche (pH, pO2 e pCO2) nel bioreattore influenzano significativamente la produzione di collagene. Quindi, flusso laminare, correnti parassite cicliche aumentano la produzione di collagene, il che porta a migliori proprietà meccaniche.

Un altro approccio nella crescita delle strutture tissutali consiste nel creare condizioni embrionali nel bioreattore invece di modellare le condizioni fisiologiche del corpo umano. Coltivati sulla base di cellule staminali, i bioclaps di tessuto hanno valvole mobili e plastiche che sono funzionalmente ben educate quando esposte ad alta pressione e un flusso che supera il livello fisiologico. Studi istologici e istochimici dei volantini di queste strutture hanno mostrato la presenza in essi di processi di biodegradazione della matrice che procedono attivamente e la sua sostituzione con tessuto vitale. Il tessuto è organizzato in un tipo laminato con le caratteristiche delle proteine della matrice extracellulare, simile alle caratteristiche del tessuto nativo per la presenza di collagene e glicosaminoglicani di tipo I e III. Tuttavia, una tipica struttura a tre strati delle valvole - strati ventricolari, spugnosi e fibrosi - non è stata ottenuta. Scoperti in tutti i frammenti, le cellule positive all'ASMA che esprimono la vimentina avevano caratteristiche simili alle caratteristiche dei miofibroblasti. La microscopia elettronica elementi di cella sono stati trovati per essere caratteristica di vitali, miofibroblasti attivi secretori (actina / miosina filamento, collagene filati, elastina) e sulla superficie del tessuto - cellule endoteliali.

Collari di I, III tipi, ASMA e vimentina sono stati trovati sulle valvole. Le proprietà meccaniche delle ali del tessuto e delle strutture native erano comparabili. Le valvole cardiache artificiali del tessuto hanno mostrato prestazioni eccellenti per 20 settimane e assomigliano a strutture anatomiche naturali per la loro microstruttura, il profilo biochimico e la formazione di una matrice proteica.

Tutte le valvole cardiache artificiali, ottenute con il metodo dell'ingegneria tissutale, sono state impiantate in posizione polmonare dall'animale, poiché le loro caratteristiche meccaniche non corrispondono ai carichi nella posizione aortica. Le valvole del tessuto impiantate da animali sono strutturalmente simili nella loro struttura a quelle native, il che indica il loro ulteriore sviluppo e riarrangiamento in condizioni in vivo. Se i processi di ristrutturazione e maturazione dei tessuti continueranno in condizioni fisiologiche dopo l'impianto di valvole cardiache artificiali, come osservato negli esperimenti su animali, ulteriori studi mostreranno.

Le valvole ideali cardiache artificiali dovrebbero avere una porosità non inferiore al 90% perché è essenziale per la crescita cellulare, l'apporto di sostanze nutritive e la rimozione dei prodotti del metabolismo cellulare, oltre alla biocompatibilità e biodegradabilità, valvole cardiache artificiali dovrebbero avere chimicamente favorevole per inoculare superficie cellulare e conformarsi meccanicamente proprietà del tessuto naturale. Il livello di biodegradazione della matrice deve essere controllato e proporzionale al livello di formazione del nuovo tessuto per garantire una garanzia di stabilità meccanica per un certo tempo.

Attualmente vengono sviluppate matrici sintetiche e biologiche. I materiali biologici più comuni per la creazione di matrici sono strutture anatomiche donatrici, collagene e fibrina. Le valvole cardiache artificiali polimeriche sono progettate per biodegradarsi dopo l'impianto non appena le cellule impiantate iniziano a produrre e organizzare la propria rete di matrice extracellulare. La formazione di un nuovo tessuto della matrice può essere regolata o stimolata da fattori di crescita, citochine o ormoni.

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Donatore di valvole cardiache artificiali

Donatori valvole cardiache artificiali ottenuti da esseri umani o animali e privo di antigeni cellulari da detsellyulyarizatsii a ridurre la loro immunogenicità, possono essere utilizzati come matrici. I rimanenti proteine della matrice extracellulare sono la base per la successiva adesione delle cellule seminate. Esistono seguenti metodi per rimuovere gli elementi cellulari (atsellyulyarizatsii): congelamento, trattamento tripsina / EDTA, detersivo - sodio dodecil solfato, deoksikolatom sodio, Triton X-100, MEGA 10, TnBR CHAPS, Tween 20, così come i metodi di trattamento enzimatico più fasi. Questo rimuove le membrane cellulari, acidi nucleici, lipidi, strutture citoplasmatiche e matrice molecole solubili con la conservazione di collagene ed elastina. Tuttavia, non è stato ancora trovato un metodo ideale. Solo dodecil solfato di sodio (0,03-1%) o deoksikolat sodio (0,5-2%) ha portato alla completa rimozione delle cellule dopo il trattamento 24 ore.

L'esame istologico remoto bioklapanov detsellyulyarizovannyh (allotrapianto e xenotrapianto) in animali da esperimento (cani e maiali) hanno dimostrato che v'è una crescita interna parziale e endotelizzazione miofibroblasti destinatario a base, senza segni di calcificazione. È stata notata infiltrazione infiammatoria moderatamente pronunciata. Tuttavia, fallimento precoce sviluppata in studi clinici detsellyulyarizovannogo SynerGraftTM valvola. La matrice è stata determinata bioprotesi espresso reazione infiammatoria, inizialmente non specifico ed è stata accompagnata da reazione linfocitaria. Disfunzione e degenerazione della bioprotesi sviluppate entro un anno. Arrivo cellule matrice non è stato osservato, tuttavia, la calcificazione della volantini e cellule preimpianto detriti sono stati trovati.

Cellule endoteliali seminato matrice acellulare e coltivate in vitro che in vivo formato uno strato coerente sulla superficie delle alette, e cellule interstiziali inoculate struttura nativa hanno mostrato la loro capacità di differenziazione. Tuttavia, per raggiungere il livello fisiologico desiderato di colonizzazione nelle celle di matrice falliti in condizioni dinamiche del bioreattore, e le valvole cardiache artificiali impiantati sono accompagnati da abbastanza veloce (tre mesi) ispessimento dovuti alla proliferazione cellulare accelerata e formazione della matrice extracellulare. Pertanto, in questa fase l'uso di matrici donatore acellulari per la loro colonizzazione da parte di cellule ha un certo numero di problemi irrisolti di cui 8 natura immunologica e infettiva dei bioprotesi lavoro detsellyulyarizovannymi continua.

Va notato che il collagene è anche uno dei potenziali materiali biologici per la fabbricazione di matrici capaci di biodegradazione. Può essere utilizzato sotto forma di schiuma, gel o piastre, spugne e come preforma su base di fibra. Tuttavia, l'uso di collagene è associato a una serie di difficoltà tecnologiche. In particolare, è difficile ottenere dal paziente. Pertanto, al momento attuale, la maggior parte delle matrici di collagene sono di origine animale. La biodegradazione ritardata del collagene animale può comportare un aumento del rischio di infezione zoonotica, causare risposte immunologiche e infiammatorie.

La fibrina è un altro materiale biologico con caratteristiche controllate di biodegradazione. Poiché il gel di fibrina può essere prodotto dal sangue del paziente per la successiva produzione di una matrice autologa, l'impianto di tale struttura non causerà la sua degradazione tossica e la sua risposta infiammatoria. Tuttavia, la fibrina presenta tali inconvenienti come diffusione e lisciviazione nell'ambiente e basse caratteristiche meccaniche.

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Valvole cardiache artificiali fatte di materiali sintetici

Le valvole cardiache artificiali sono fatte anche di materiali sintetici. Diversi tentativi per fabbricare valvole matrici erano basate sull'uso di poliglactina, acido poliglicolico (PGA), acido polilakticheskoy (PLA), un copolimero di PGA e PLA (PLGA) e poliidrossialcanoati (PHA). Il materiale sintetico altamente poroso può essere ottenuto da fibre tessute o non tessute e utilizzando la tecnologia della lisciviazione del sale. Un materiale composito promettente (PGA / P4HB) per la fabbricazione di matrici è stato ottenuto da anelli di acido poliglicolico non rivestito (PGA) rivestiti con poli-4-idrossibutirrato (P4HB). Le valvole artificiali artificiali prodotte da questo materiale sono sterilizzate con ossido di etilene. Tuttavia, la notevole rigidità iniziale e lo spessore delle anse di questi polimeri, la loro degradazione rapida e incontrollata, accompagnata dal rilascio di prodotti citotossici acidi, richiedono ulteriori ricerche e la ricerca di altri materiali.

Utilizzando autologhe piastre di coltura tissutale miofibroblasti coltivate su un telaio per formare una matrice di supporto stimolando la produzione di queste cellule ha prodotto campioni con valvole attive cellule vitali circondati da matrice extracellulare. Tuttavia, le proprietà meccaniche dei tessuti di queste valvole non sono sufficienti per il loro impianto.

Il livello necessario di proliferazione e rigenerazione del tessuto della valvola creata non può essere raggiunto solo combinando le cellule e la matrice. L'espressione del gene cellulare e la formazione del tessuto possono essere regolati o stimolati mediante l'aggiunta di fattori di crescita, citochine o ormoni, fattori mitogeni o fattori di adesione in matrici e matrici. Si sta studiando la possibilità di introdurre questi regolatori nei biomateriali della matrice. In generale, c'è una significativa mancanza di ricerca sulla regolazione del processo di formazione della valvola del tessuto da parte di stimoli biochimici.

Bioprotesi polmonare eterologa Matrix P porcine acellulare comprende tessuto detsellyulyarizovannoy trattato con uno speciale procedimento brevettato AutoTissue GmbH comprensivi di trattamento antibiotico, desossicolato di sodio e alcool Questo metodo di lavorazione adottato dalla International Organization for Standardization, elimina tutte le cellule viventi e struttura postkletochnye (fibroblasti, cellule endoteliali, batteri, virus, funghi, micoplasmi) mantiene l'architettura della matrice extracellulare, riduce il livello di DNA e RNA nel tessuto per minim mA, che riduce a zero la probabilità di trasmissione di porcine persona retrovirus endogeno (PERV). La bioprotesi di Matrix P consiste esclusivamente di collagene ed elastina con integrazione strutturale conservata.

Durante gli esperimenti di pecora è stato registrato reazione minima dal tessuto circostante in 11 mesi dopo l'impianto P Matrix bioprotesi con buone prestazioni della sua sopravvivenza, che, in particolare, manifesta nella sua superficie interna lucida dell'endocardio. Infatti, non c'erano reazioni infiammatorie, ispessimento e accorciamento dei lembi delle valvole. È stato anche registrato un basso livello di calcio nel tessuto bioprotesi di Matrix P, la differenza era statisticamente significativa rispetto alla glutaraldeide trattata.

Valvole cardiache artificiali Matrix P si adatta alle condizioni individuali del paziente per diversi mesi dopo il suo impianto. Nello studio alla fine del periodo di riferimento rivelato intatto extracellulare matrice e scarico endotelio. Xenotrapianti Matrix R impiantato nel passaggio Ross eseguita in 50 pazienti con difetti congeniti nel periodo dal 2002 al 2004 ha dimostrato prestazioni superiori e inferiori gradienti di pressione transvalvolare rispetto bioprotesi crioconservati e detsellyulyarizovannymi allotrapianto SynerGraftMT, e senza telaio trattati con glutaraldeide. Matrice P valvole cardiache artificiali per la sostituzione della valvola polmonare dell'arteria durante la ricostruzione del tratto di efflusso ventricolare in chirurgia congenite e difetti acquisiti e protesi valvolare polmonare alla procedura Ross, è disponibile in quattro dimensioni (diametro interno): infantile (15-17 mm ), per bambini (18-21 mm), intermedi (22-24 mm) e adulti (25-28 mm).

I progressi nello sviluppo delle valvole sulla base di ingegneria tissutale dipenderà dal successo della biologia cellulare valvola (comprese le questioni di espressione genica e la regolamentazione), lo studio di embriogenico e l'età delle valvole (compresi fattori angiogenetici e neurogena), una conoscenza precisa della biomeccanica di ogni valvola, individuare adeguate per la risoluzione delle cellule sviluppo di matrici ottimali. Per ulteriore sviluppo di valvole biologiche più avanzate, una completa comprensione della relazione tra le caratteristiche meccaniche e strutturali della valvola nativa e incentivi (biologici o meccanici) per ricreare queste caratteristiche in vitro.

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