Válvulas cardiacas artificiales

Modernas, disponibles para uso clínico, las válvulas cardíacas artificiales biológicas, con la excepción del autoinjerto pulmonar, son estructuras no viables que carecen del potencial de crecimiento y reparación tisular. Esto impone limitaciones significativas en su uso, especialmente en niños en la corrección de la patología valvular. La ingeniería de tejidos se ha formado en los últimos 15 años. El propósito de esta dirección científica es la creación en condiciones artificiales de estructuras tales como válvulas cardiacas artificiales con una superficie resistente al trombo y un intersticio viable.

[1], [2],

¿Cómo se desarrollan las válvulas cardíacas artificiales?

Concepto científico de la ingeniería de tejidos se basa en la idea de resolver y cultivo de células vivas (fibroblastos, células, etc. Tallo) En un esqueleto absorbible sintético o natural (matriz) que representan una estructura de válvula de tres dimensiones, así como el uso de señales que regulan la expresión de genes, la organización y la productividad trasplantado células durante el período de formación de la matriz extracelular.

Dichas válvulas cardíacas artificiales se integran con el tejido del paciente para la restauración final y el mantenimiento adicional de su estructura y función. Al mismo tiempo, se forma un nuevo marco de collagenoelastina o, más precisamente, una matriz extracelular en la matriz inicial como resultado del funcionamiento de las células (fibroblastos, miofibroblastos, etc.). Como resultado, las válvulas cardíacas artificiales óptimas creadas por el método de ingeniería de tejidos deberían, por su estructura y función anatómica, acercarse al nativo, y también tener adaptabilidad biomecánica, capacidad de reparar y crecer.

La ingeniería tisular desarrolla válvulas cardíacas artificiales utilizando varias fuentes de recolección de células. Por lo tanto, se pueden utilizar células alogénicas o alogénicas, aunque las primeras están asociadas con el riesgo de transporte zoonótico a humanos. Para reducir la antigenicidad y prevenir las reacciones de rechazo del organismo es posible mediante la modificación genética de las células alogénicas. La ingeniería tisular requiere una fuente confiable de producción celular. Esta fuente es células autógenas tomadas directamente del paciente y no dan respuestas inmunes durante el reimplante. Las válvulas cardíacas artificiales efectivas se producen sobre la base de células autólogas derivadas de vasos sanguíneos (arterias y venas). Para obtener cultivos celulares puros, se ha desarrollado un método basado en el uso de la clasificación celular activada por fluorescencia (FACS). Una población celular mixta derivada de un vaso sanguíneo se marca con un marcador de lipoproteína de baja densidad acetilado que se absorbe selectivamente en la superficie de los endoteliocitos. Los endoteliocitos pueden posteriormente separarse fácilmente del grueso de las células derivadas de los vasos, que estarán representados por una mezcla de células de músculo liso, miofibroblastos y fibroblastos. Una fuente de células, ya sea una arteria o una vena, afectará las propiedades de la estructura final. Por lo tanto, las válvulas cardíacas artificiales con una matriz sembrada con células venosas, en términos del grado de formación de colágeno y la estabilidad mecánica, superan las estructuras sembradas por las células arteriales. La elección de las venas periféricas parece ser una fuente más conveniente de recolección de células.

Los miofibroblastos también se pueden tomar de las arterias carótidas. Al mismo tiempo, las células obtenidas de los vasos difieren esencialmente de sus células intersticiales naturales. Las células autólogas del cordón umbilical se pueden usar como una fuente alternativa de células.

Válvulas cardiacas artificiales basadas en células madre

El progreso de la ingeniería de tejidos en los últimos años se ve facilitado por la investigación con células madre. El uso de células madre de médula ósea roja tiene sus ventajas. En particular, la simplicidad del muestreo biomaterial y el cultivo in vitro con la posterior diferenciación en varios tipos de células mesenquimales permite evitar el uso de vasos intactos. Las células madre son fuentes pluripotentes de gérmenes celulares, tienen características inmunológicas únicas que contribuyen a su estabilidad en condiciones alogénicas.

Las células madre de médula ósea humana se obtienen mediante punción esternal o punción de la cresta ilíaca. Se aíslan de 10-15 ml de aspirado de esternón, se separan de otras células y se cultivan. Al alcanzar el número de células deseado (normalmente dentro de 21-28 días) producir su siembra (colonización) en la matriz se cultiva en el medio en una posición estática (durante 7 días en un incubador humidificado a 37 ° C en presencia de 5% de CO2). Estimulación Posteriormente del crecimiento celular a través del entorno kupturalnuyu (estímulos biológica) o condiciones fisiológicas mediante la creación de crecimiento de tejido durante su deformación en un aparato de reproducción isométrica pulsadas - biorreactor (estímulos mecánicos). Los fibroblastos son sensibles a los estímulos mecánicos que promueven su crecimiento y actividad funcional. El flujo pulsante provoca un aumento en las deformaciones radiales y circunferenciales, lo que conduce a la orientación (elongación) de las células pobladas en la dirección de acción de tales tensiones. Esto conduce, a su vez, a la formación de estructuras de fibras orientadas de los flaps. Un flujo constante causa solo tensiones tangenciales en las paredes. El flujo pulsátil tiene un efecto beneficioso sobre la morfología celular, la proliferación y la composición de la matriz extracelular. La naturaleza del flujo del medio nutriente, las condiciones físico-químicas (pH, pO2 y pCO2) en el biorreactor también afectan significativamente la producción de colágeno. Entonces, el flujo laminar, las corrientes de Foucault cíclicas aumentan la producción de colágeno, lo que conduce a propiedades mecánicas mejoradas.

Otro enfoque en el crecimiento de estructuras tisulares es crear condiciones embrionarias en el biorreactor en lugar de modelar las condiciones fisiológicas del cuerpo humano. Cultivados sobre la base de células madre, los bioclaps de tejidos tienen válvulas móviles y plásticas que se comportan bien funcionalmente cuando se exponen a alta presión y a un flujo que excede el nivel fisiológico. Los estudios histológicos e histoquímicos de las valvas de estas estructuras mostraron la presencia en ellos de procesos de biodegradación activa de la matriz y su reemplazo por tejido viable. El tejido está organizado en un tipo laminado con las características de las proteínas de la matriz extracelular, similar a las características del tejido nativo por la presencia de colágeno tipo I y III y glicosaminoglicanos. Sin embargo, no se obtuvo una estructura típica de tres capas de las válvulas: ventricular, esponjosa y fibrosa. Descubiertas en todos los fragmentos, las células ASMA-positivas que expresan vimentina tenían características similares a las características de los miofibroblastos. La microscopía electrónica de los elementos celulares se han encontrado para ser característica de miofibroblastos viables y activas secretoras (actina / miosina de filamentos de colágeno, hilo, elastina) y sobre la superficie de la tela - células endoteliales.

Se encontraron collares de tipos I, III, ASMA y vimentina en las válvulas. Las propiedades mecánicas de las alas del tejido y las estructuras nativas eran comparables. Las válvulas cardíacas artificiales tisulares mostraron un excelente rendimiento durante 20 semanas y se asemejaban a las estructuras anatómicas naturales por su microestructura, perfil bioquímico y la formación de una matriz proteica.

El animal ha implantado todas las válvulas cardiacas artificiales, obtenidas mediante el método de ingeniería tisular, en la posición pulmonar, ya que sus características mecánicas no se corresponden con las cargas en la posición aórtica. Las válvulas de tejido implantadas a partir de animales son estructuralmente similares en su estructura a las naturales, lo que indica su posterior desarrollo y reordenamiento en condiciones in vivo. Si los procesos de reestructuración y maduración del tejido continuarán en condiciones fisiológicas después de la implantación de válvulas cardíacas artificiales, como se observó en experimentos con animales, se mostrarán más estudios.

Las válvulas cardíacas artificiales ideal debe tener una porosidad de no menos del 90%, porque es esencial para el crecimiento celular, el suministro de nutrientes y la eliminación de productos del metabolismo celular, Además de la biocompatibilidad y biodegradabilidad, válvulas cardíacas artificiales deben tener químicamente favorable para inocular superficie celular y ajustarse mecánicamente propiedades del tejido natural El nivel de biodegradación de la matriz debe ser controlado y proporcional al nivel de formación del nuevo tejido para garantizar la estabilidad mecánica durante un tiempo determinado.

Actualmente, se están desarrollando matrices sintéticas y biológicas. Los materiales biológicos más comunes para crear matrices son las estructuras anatómicas del donante, el colágeno y la fibrina. Las válvulas cardíacas artificiales de polímero están diseñadas para biodegradarse después de la implantación tan pronto como las células implantadas comiencen a producir y organizar su propia red de matriz extracelular. La formación de un nuevo tejido matricial puede ser regulada o estimulada por factores de crecimiento, citocinas u hormonas.

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

Donantes válvulas cardíacas artificiales

Las válvulas cardíacas artificiales donadas derivadas de humanos o animales y desprovistas de antígenos celulares por descelularización para reducir su inmunogenicidad pueden usarse como matrices. Las proteínas conservadas de la matriz extracelular son la base para la posterior adhesión de las células que se siembran. Hay siguientes métodos para eliminar los elementos celulares (atsellyulyarizatsii): congelación, tratamiento con tripsina / EDTA, detergente - dodecil sulfato de sodio, deoksikolatom de sodio, Triton X-100, MEGA 10, TnBR CHAPS, Tween 20, así como métodos de tratamiento enzimático de múltiples pasos. Esto elimina las membranas celulares, ácidos nucleicos, lípidos, estructuras citoplásmicas y moléculas de la matriz solubles con la preservación de colágeno y elastina. Sin embargo, aún no se ha encontrado un método ideal. Solo el dodecilsulfato de sodio (0.03-1%) o el desoxicolato de sodio (0.5-2%) dieron como resultado la eliminación completa de las células después de 24 horas de tratamiento.

El examen histológico remoto bioklapanov detsellyulyarizovannyh (aloinjerto y xenoinjerto) en animales de experimentación (perros y cerdos) han demostrado que no es un crecimiento hacia el interior parcial y endotelización miofibroblastos receptor por base, no hay signos de calcificación. Se observó infiltración inflamatoria moderadamente pronunciada. Sin embargo, en ensayos clínicos de la válvula SynerGraftTM descelularizada, se desarrolló una insuficiencia temprana. En la matriz de la bioprótesis, se determinó una reacción inflamatoria pronunciada, que al principio no era específica y estaba acompañada por una reacción linfocítica. Disfunción y degeneración de la bioprótesis desarrollada dentro de un año. No se observó colonización celular en las células, sin embargo, se detectaron calcificaciones de las válvulas y restos celulares de preimplantación.

Las células endoteliales de la matriz sin semillas acelular y cultivadas en condiciones in vitro y in vivo forma una capa coherente sobre la superficie de las aletas, y células intersticiales inoculados estructura nativa mostraron su capacidad para la diferenciación. Sin embargo, para alcanzar el nivel fisiológico deseado de la colonización en las células de la matriz fracasado en condiciones dinámicas del biorreactor, y las válvulas del corazón artificiales implantados fueron acompañados por lo suficientemente rápido (tres meses) de espesamiento debido a la proliferación celular acelerado y la formación de matriz extracelular. Por lo tanto, en esta etapa el uso de matrices acelulares donante para su colonización por células tiene una serie de problemas sin resolver que incluyen 8 naturaleza inmunológica y infecciosa de las bioprótesis detsellyulyarizovannymi trabajo continúa.

Cabe señalar que el colágeno es también uno de los materiales biológicos potenciales para la fabricación de matrices capaces de biodegradación. Se puede usar en forma de espuma, gel o placas, esponjas y como preforma sobre una base de fibra. Sin embargo, el uso de colágeno está asociado con una serie de dificultades tecnológicas. En particular, es difícil de obtener del paciente. Por lo tanto, en la actualidad, la mayoría de las matrices de colágeno son de origen animal. La biodegradación retrasada del colágeno animal puede conllevar un mayor riesgo de infección zoonótica, causar respuestas inmunológicas e inflamatorias.

La fibrina es otro material biológico con características controladas de biodegradación. Dado que los geles de fibrina pueden prepararse a partir de la sangre del paciente para la posterior fabricación de una matriz autóloga, la implantación de dicha estructura no provocará su degradación tóxica y respuesta inflamatoria. Sin embargo, la fibrina tiene inconvenientes tales como la difusión y la lixiviación en el medio ambiente y las bajas características mecánicas.

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

Válvulas cardíacas artificiales hechas de materiales sintéticos

Las válvulas cardíacas artificiales también están hechas de materiales sintéticos. Varios intentos de fabricar válvulas de matrices se basaron en el uso de poliglactina, ácido poliglicólico (PGA), ácido polilakticheskoy (PLA), un copolímero de PGA y PLA (PLGA) y polihidroxialcanoatos (PHA). El material sintético altamente poroso puede obtenerse a partir de fibras tejidas o no tejidas y utilizando tecnología de lixiviación de sal. Promising material compuesto (PGA / R4NV) para la fabricación de matrices derivadas de un ácido poliglicólico bucles no tejidos (PGA), recubiertas con poli-4-hidroxibutirato (R4NV). Las válvulas cardíacas artificiales fabricadas a partir de este material se esterilizan con óxido de etileno. Sin embargo, la considerable rigidez inicial y el grosor de los bucles de estos polímeros, su degradación rápida e incontrolada, acompañada de la liberación de productos citotóxicos ácidos, requieren más investigación y la búsqueda de otros materiales.

El uso de placas de cultivo tisular de miofibroblastos autólogos cultivados en un armazón para formar matrices de soporte estimulando la producción de estas células permitió la producción de muestras de válvula con células viables activas rodeadas por una matriz extracelular. Sin embargo, las propiedades mecánicas de los tejidos de estas válvulas no son suficientes para su implantación.

El nivel necesario de proliferación y regeneración del tejido de la válvula creada no se puede lograr combinando únicamente las células y la matriz. La expresión del gen celular y la formación de tejido se puede regular o estimular mediante la adición de factores de crecimiento, citocinas u hormonas, factores mitogénicos o factores de adhesión en matrices y matrices. Se está estudiando la posibilidad de introducir estos reguladores en los biomateriales de la matriz. En general, hay una falta significativa de investigación sobre la regulación del proceso de formación de la válvula tisular mediante estímulos bioquímicos.

Acelular heterólogo Matrix P bioprótesis pulmonar porcino comprende tela detsellyulyarizovannoy tratado por un procedimiento AutoTissue GmbH especial patentado que consiste en tratamiento con antibióticos, desoxicolato de sodio y el alcohol Este método de procesamiento adoptado por la Organización Internacional de Normalización, elimina todas las células vivas y la estructura postkletochnye (fibroblastos, células endoteliales, bacterias, virus, hongos, micoplasmas) conserva la arquitectura de la matriz extracelular, se reduce el nivel de ADN y ARN en el tejido a minim mA, lo que reduce a cero la probabilidad de transmisión de persona porcino retrovirus endógeno (PERV). Matrix P bioprótesis consiste exclusivamente de colágeno y elastina con integración estructural conservado.

Durante los experimentos con ovejas se registró reacción mínimo del tejido circundante en 11 meses después de la implantación P Matrix bioprótesis con un buen rendimiento de su supervivencia, que, en particular, que se manifiesta en su superficie interior brillante del endocardio. De hecho, no hubo reacciones inflamatorias, engrosamiento y acortamiento de los colgajos de válvula. También se registró un bajo nivel de calcio del tejido de bioprótesis de la matriz P, la diferencia fue estadísticamente significativa en comparación con el glutaraldehído tratado.

Válvulas cardíacas artificiales matriz P se adaptan a las condiciones individuales del paciente para unos pocos meses después de la implantación. En el estudio al final del período de referencia revelado una matriz y de drenaje extracelular endotelio intacto. Los xenoinjertos Matrix R implantado en el paso Ross realizó en 50 pacientes con defectos congénitos en el período de 2002 a 2004, ha demostrado un rendimiento superior y los gradientes de presión transvalvular más bajas en comparación con las bioprótesis criopreservados y detsellyulyarizovannymi aloinjerto SynerGraftMT, y sin marco tratados con glutaraldehído. Matrix P válvulas artificiales de corazón para el reemplazo de la válvula de la arteria pulmonar durante la reconstrucción de tracto de salida ventricular derecho en la cirugía de congénita y defectos adquiridos y la prótesis de la válvula pulmonar en el procedimiento de Ross, está disponible en cuatro tamaños (diámetro interno): Infant (15-17 mm ) niños (18-21 mm), el intermedio (22-24 mm) y adultos (25-28 mm).

El progreso en el desarrollo de las válvulas en la base de la ingeniería de tejidos dependerá de la éxito de la biología celular de la válvula (incluidas las cuestiones de expresión génica y la regulación), el estudio de embriogénico y la edad de las válvulas (incluyendo factores angiogénicos y neurogénicos), el conocimiento preciso de la biomecánica de cada válvula, identificar adecuada para la solución de células desarrollo de matrices óptimas. Para un mayor desarrollo de las válvulas de tejido más avanzados, una comprensión completa de la relación entre las características mecánicas y estructurales de la válvula y incentivos (biológicas o mecánicas) nativo para recrear estas características en vitro.

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