Válvulas cardíacas artificiais

Modernos, disponíveis para uso clínico, válvulas cardíacas artificiais biológicas, com exceção do auto-enxerto pulmonar, são estruturas não viáveis que não possuem o potencial de crescimento e reparo tecidual. Isso impõe limitações significativas em seu uso, especialmente em crianças na correção da patologia valvular. A engenharia de tecidos foi formada nos últimos 15 anos. O objetivo desta direção científica é a criação em condições artificiais de estruturas como válvulas cardíacas artificiais com superfície resistente a trombo e intersticio viável.

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Como são desenvolvidas as válvulas cardíacas artificiais?

Conceito científico da engenharia de tecidos baseia-se na ideia de resolver e cultivo de células vivas (fibroblastos, células, etc. Haste) Em um esqueleto absorvível sintética ou natural (matriz) que representam uma estrutura de válvula tridimensional, bem como a utilização de sinais que regulam a expressão de genes, organização e produtividade transplantado células durante o período de formação da matriz extracelular.

Tais válvulas cardíacas artificiais são integradas com o tecido do paciente para a restauração final e manutenção adicional de sua estrutura e função. Ao mesmo tempo, uma nova estrutura de colagenoelastina ou, mais precisamente, uma matriz extracelular é formada na matriz inicial como resultado do funcionamento das células (fibroblastos, miofibroblastos, etc.). Como resultado, as melhores válvulas cardíacas artificiais criadas pelo método de engenharia de tecidos devem, por sua estrutura e função anatômica, abordar a nativa, e também ter capacidade de adaptação biomecânica, capacidade de reparar e crescer.

A engenharia de tecidos desenvolve válvulas cardíacas artificiais usando várias fontes de colheita de células. Assim, podem ser utilizadas células xenogênicas ou alogênicas, embora as primeiras sejam associadas ao risco de transporte zoonótico para humanos. Reduzir antigenicidade e prevenir reações de rejeição do organismo é possível por modificação genética de células alogênicas. A engenharia de tecidos requer uma fonte confiável de produção celular. Esta fonte é células autógenas tomadas diretamente do paciente e não dão respostas imunes durante o reimplante. Válvulas cardíacas artificiais eficazes são produzidas com base em células autólogas derivadas de vasos sanguíneos (artérias e veias). Para obter culturas de células puras, desenvolveu-se um método baseado no uso da classificação de células ativadas fluorescentes (FACS). Uma população celular mista derivada de um vaso sanguíneo é marcada com um marcador acetilado, de baixa densidade e lipoproteína que é absorvido seletivamente na superfície dos endoteliocitos. Os endotelíquitos podem ser facilmente separados da maior parte das células derivadas dos vasos, que serão representados por uma mistura de células musculares lisas, miofibroblastos e fibroblastos. Uma fonte de células, seja uma artéria ou uma veia, afetará as propriedades da estrutura final. Assim, as válvulas cardíacas artificiais com uma matriz semeada com células venosas, em termos de grau de formação de colágeno e estabilidade mecânica, superam as estruturas semeadas pelas células arteriais. A escolha das veias periféricas parece ser uma fonte mais conveniente de colheita de células.

Os miofibroblastos também podem ser retirados das artérias carótidas. Ao mesmo tempo, as células obtidas a partir dos vasos diferem essencialmente de suas células intersticiais naturais. As células autólogas do cordão umbilical podem ser usadas como fonte alternativa de células.

Válvulas cardíacas artificiais baseadas em células-tronco

O progresso da engenharia de tecidos nos últimos anos é facilitado pela pesquisa com células-tronco. O uso de células-tronco da medula óssea vermelha tem suas vantagens. Em particular, a simplicidade da amostragem de biomateriais e o cultivo in vitro com diferenciação posterior em vários tipos de células mesenquimais permite evitar o uso de vasos intactos. As células estaminais são fontes pluripotentes de germes celulares, possuem características imunológicas únicas que contribuem para a sua estabilidade em condições alogênicas.

As células-tronco da medula óssea humana são obtidas por punção esternal ou punção da crista ilíaca. Eles são isolados de 10-15 ml de aspirado de esterno, separados de outras células e cultivados. Depois de atingir o número necessário de células (geralmente por 21-28 dias), são inoculados (colonizados) na matriz, cultivados em meio nutriente em posição estática (durante 7 dias em uma incubadora humidificada a 37 ° C na presença de 5% de CO2). A estimulação adicional do crescimento celular é realizada através de um meio comercial (estímulos biológicos) ou através da criação de condições fisiológicas para o crescimento do tecido com deformação isométrica em um aparelho reprodutor com um fluxo pulsante - um biorreator (estímulos mecânicos). Os fibroblastos são sensíveis aos estímulos mecânicos que promovem seu crescimento e atividade funcional. O fluxo pulsante provoca um aumento nas deformações tanto radiais como circunferenciais, o que leva à orientação (alongamento) das células povoadas na direção da ação de tais estresses. Isso leva, por sua vez, à formação de estruturas de fibras orientadas das abas. Um fluxo constante causa apenas tensões tangenciais nas paredes. O fluxo pulsante tem um efeito benéfico na morfologia celular, na proliferação e na composição da matriz extracelular. A natureza do fluxo do meio nutriente, as condições físico-químicas (pH, pO2 e pCO2) no biorreator também afetam significativamente a produção de colágeno. Assim, o fluxo laminar, as correntes de Foucault cíclicas aumentam a produção de colágeno, o que leva a melhores propriedades mecânicas.

Outra abordagem nas estruturas de tecido em crescimento é criar condições embrionárias no biorreator em vez de modelar as condições fisiológicas do corpo humano. Cultivados com base em células-tronco, os bioclaps de tecido têm válvulas móveis e plasticamente funcionais bem comportadas quando expostas a alta pressão e um fluxo que excede o nível fisiológico. Os estudos histológicos e histoquímicos dos folhetos dessas estruturas mostraram a presença de processos de biodegradação ativamente da matriz e sua substituição por tecido viável. O tecido é organizado em um tipo laminado com as características das proteínas da matriz extracelular, semelhante às características do tecido nativo pela presença de colágeno tipo I e III e glicosaminoglicanos. No entanto, não foi obtida uma estrutura típica de três camadas das válvulas - camadas ventriculares, esponjosas e fibrosas. Descoberto em todos os fragmentos, as células ASMA positivas que expressam vimentina apresentaram características semelhantes às características dos miofibroblastos. A microscopia eletrônica revelou elementos celulares com características características de miofibroblastos viáveis, secretamente ativos (filamentos de actina / miosina, filamentos de colágeno, elastina) e células endoteliais na superfície do tecido.

Coleiras de I, III tipos, ASMA e vimentina foram encontradas nas válvulas. As propriedades mecânicas das asas do tecido e das estruturas nativas foram comparáveis. As válvulas cardíacas artificiais de tecido mostraram excelente desempenho por 20 semanas e se assemelharam a estruturas anatômicas naturais para sua microestrutura, perfil bioquímico e a formação de uma matriz protéica.

Todas as válvulas cardíacas artificiais, obtidas pelo método de engenharia de tecidos, foram implantadas na posição pulmonar pelo animal, uma vez que suas características mecânicas não correspondem às cargas na posição aórtica. As válvulas de tecido implantadas a partir de animais são estruturalmente semelhantes na sua estrutura para os nativos, o que indica seu desenvolvimento e rearranjo adicionais em condições in vivo. Se o processo de reestruturação e maturação tecidual continuará em condições fisiológicas após a implantação de válvulas cardíacas artificiais, como observado em experimentos com animais, estudos adicionais mostrarão.

As válvulas cardíacas artificiais ideais devem ter uma porosidade de pelo menos 90%, uma vez que é essencial para o crescimento celular, a distribuição de nutrientes e a remoção de produtos de metabolismo celular. Além de biocompatibilidade e biodegradabilidade, as válvulas cardíacas artificiais devem ter uma superfície quimicamente favorável para semeadura de células e correspondente a mecânica propriedades do tecido natural. O nível de biodegradação da matriz deve ser controlado e proporcional ao nível de formação do novo tecido para garantir uma garantia de estabilidade mecânica por um certo tempo.

Atualmente, estão sendo desenvolvidas matrizes sintéticas e biológicas. Os materiais biológicos mais comuns para a criação de matrizes são estruturas anatômicas dos dadores, colágeno e fibrina. As válvulas cardíacas artificiais de polímero são projetadas para se biodegrada após a implantação assim que as células implantadas começam a produzir e a organizar sua própria rede de matriz extracelular. A formação de um novo tecido matriz pode ser regulada ou estimulada por fatores de crescimento, citocinas ou hormônios.

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Válvulas cardíacas artificiais doadoras

As doações de válvulas cardíacas artificiais derivadas de seres humanos ou animais e desprovidas de antígenos celulares por decelularização para reduzir a sua imunogenicidade podem ser utilizadas como matrizes. As proteínas preservadas da matriz extracelular são a base para a adesão subseqüente das células que são semeadas. Existem seguintes métodos para remover os elementos celulares (atsellyulyarizatsii): congelação, tratamento com tripsina / EDTA, detergente - sulfato de dodecilo de sódio, deoksikolatom de sódio, Triton X-100, o MEGA 10, TnBR CHAPS, Tween 20, bem como de passos múltiplos métodos de tratamento enzimático. Ao mesmo tempo, membranas celulares, ácidos nucleicos, lipídios, estruturas citoplasmáticas e moléculas da matriz solúvel são retidos, enquanto o colágeno e a elastina são mantidos. No entanto, um método ideal ainda não foi encontrado. Apenas dodecilsulfato de sódio (0,03-1%) ou desoxicolato de sódio (0,5-2%) resultou em remoção completa de células após 24 horas de tratamento.

O exame histológico remoto bioklapanov detsellyulyarizovannyh (aloenxerto e xenoenxerto) em animais experimentais (cães e porcos) mostraram que existe um crescimento interno parcial e endotelização miofibroblastos receptor por base, não há sinais de calcificação. Foi observada infiltração inflamatória moderadamente pronunciada. No entanto, em ensaios clínicos da válvula decelularizada SynerGraftTM, desenvolveu-se insuficiência precoce. Na matriz da bioprótese, determinou-se uma reação inflamatória pronunciada, que inicialmente não era específica e acompanhada por uma reação linfocítica. Disfunção e degeneração da bioprótese desenvolvidas no prazo de um ano. A colonização celular não foi observada nas células, no entanto, a calcificação das válvulas e os detritos celulares pré-implantação foram detectados.

As células sem células, que foram semeadas com células endoteliais e cultivadas sob condições in vitro e in vivo, formaram uma camada integral na superfície das válvulas, e as células intersticiais ensaiadas da estrutura nativa mostraram sua capacidade de se diferenciar. No entanto, não foi possível atingir o nível fisiológico necessário de colonização de células na matriz em condições de biorreactores dinâmicas, e as válvulas cardíacas artificiais implantadas foram acompanhadas por um espessamento bastante rápido (três meses) devido à proliferação celular acelerada e à formação de uma matriz extracelular. Assim, nesta fase, o uso de matrizes livres de células doadoras para sua colonização por células tem uma série de problemas não resolvidos 8, incluindo a natureza imunológica e infecciosa, o trabalho em biopróteses decelularizadas continua.

Deve notar-se que o colágeno é também um dos materiais biológicos potenciais para o fabrico de matrizes capazes de biodegradação. Pode ser usado na forma de espuma, gel ou placas, esponjas e como pré-forma em uma base de fibra. No entanto, o uso de colágeno está associado a uma série de dificuldades tecnológicas. Em particular, é difícil de obter do paciente. Portanto, no momento atual, a maioria das matrizes de colágeno são de origem animal. A biodegradação retardada de colágeno animal pode comportar um risco aumentado de infecção zoonótica, causa respostas imunológicas e inflamatórias.

A fibrina é outro material biológico com características controladas de biodegradação. Uma vez que os géis de fibrina podem ser feitos a partir do sangue do paciente para o posterior fabrico de uma matriz autóloga, a implantação de tal estrutura não causará sua degradação tóxica e resposta inflamatória. No entanto, a fibrina tem tais desvantagens como difusão e lixiviação no ambiente e baixas características mecânicas.

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Válvulas cardíacas artificiais feitas de materiais sintéticos

As válvulas cardíacas artificiais também são feitas de materiais sintéticos. Várias tentativas de fabricação das matrizes de válvulas foram baseadas no uso de poliglactina, ácido poliglicólico (PGA), ácido poliláctico (PLA), um copolímero de PGA e PLA (PLGA) e polihidroxialcanoatos (PHA). O material sintético altamente poroso pode ser obtido a partir de fibras tecidas ou não tecidas e utilizando tecnologia de lixiviação salina. Um material compósito promissor (PGA / P4HB) para o fabrico de matrizes foi obtido a partir de alças de ácido poliglicólico não revestido (PGA) revestidas com poli-4-hidroxibutirato (P4HB). As válvulas cardíacas artificiais fabricadas a partir deste material são esterilizadas com óxido de etileno. No entanto, a considerável rigidez inicial e espessura dos laços destes polímeros, sua degradação rápida e descontrolada, acompanhada pela liberação de produtos citotóxicos ácidos, requer pesquisas adicionais e a busca de outros materiais.

O uso de placas de cultura de tecidos de miofibroblastos autólogos cultivados em uma estrutura para formar matrizes de suporte estimulando a produção dessas células permitiu a produção de amostras valvulares com células viáveis ativas cercadas por uma matriz extracelular. No entanto, as propriedades mecânicas dos tecidos dessas válvulas não são suficientes para a sua implantação.

O nível necessário de proliferação e regeneração do tecido da válvula criada não pode ser conseguido apenas combinando as células e a matriz. A expressão do gene celular e a formação de tecido podem ser reguladas ou estimuladas pela adição de fatores de crescimento, citocinas ou hormônios, fatores mitogênicos ou fatores de adesão em matrizes e matrizes. A possibilidade de introduzir esses reguladores nos biomateriais da matriz está sendo estudada. Em geral, há uma falta significativa de pesquisa sobre a regulação do processo de formação de válvula de tecido por estímulos bioquímicos.

Bioprótese pulmonar heteróloga matriz P porcino acelular compreende tecido detsellyulyarizovannoy tratada por um procedimento AutoTissue GmbH patenteado especial que consiste de tratamento antibiótico, desoxicolato de sódio e álcool Este método de processamento aprovada pela Organização Internacional de Normalização, elimina todas as células vivas e estrutura postkletochnye (fibroblastos, células endoteliais, bactérias, vírus, fungos, micoplasmas) retém arquitectura da matriz extracelular, que reduz o nível do ADN e ARN no tecido a minim mA, o que reduz a zero a probabilidade de transmissão de pessoa retrovírus endógeno porcino (PERV). A bioprótese Matrix P consiste exclusivamente em colágeno e elastina com integração estrutural preservada.

Durante experimentos com ovelhas, uma reação mínima dos tecidos circundantes foi registrada 11 meses após a implantação da bioprótese Matrix R com bons índices de sobrevivência, que, em particular, se manifestou na superfície interna brilhante do seu endocardio. Na verdade, não houve reações inflamatórias, espessamento e encurtamento das abas da válvula. Também foi registrado um baixo nível de cálcio do tecido da bioprótese Matrix P, a diferença foi estatisticamente significativa em comparação com o glutaraldeído tratado.

Válvulas cardíacas artificiais A Matrix P adapta-se às condições individuais do paciente durante vários meses após sua implantação. No estudo, após a expiração do período de controle, foram identificadas uma matriz extracelular intacta e um endotélio de drenagem. Xenoenxertos Matrix R implantado no passo Ross realizados em 50 pacientes com defeitos congénitos do período compreendido entre 2002 e 2004, mostrou um desempenho superior e inferior gradientes de pressão transvalvares em comparação com as biopróteses criopreservados e detsellyulyarizovannymi aloenxerto SynerGraftMT, e sem moldura tratadas com glutaraldeído. Matriz P válvulas artificiais coração para a substituição da válvula da artéria pulmonar durante a reconstrução da via de saída do ventrículo direito em cirurgia de congénita e defeitos adquiridos e a prótese da válvula pulmonar no procedimento de Ross, está disponível em três tamanhos (diâmetro interno): infantil (15-17 mm ), para crianças (18-21 mm), intermediário (22-24 mm) e adulto (25-28 mm).

O progresso no desenvolvimento de válvulas na base de engenharia de tecidos irá depender do êxito da biologia celular válvula (incluindo problemas de expressão e regulação de genes), o estudo de embriogénico e idade das válvulas (incluindo factores angiogénicos e neurogicas), o conhecimento exacto da biomecânica de cada válvula, identificar adequado para células decantação desenvolvimento de matrizes ótimas. Para mais desenvolvimento de válvulas teciduais mais avançadas, um completo entendimento da relação entre as características mecânicas e estruturais da válvula natural e incentivos (biológicas ou mecânicos) para recriar estas características in vitro.

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