Искусственные клапаны сердца человека

Жизнь с искусственным клапаном сердца

Искусственный клапан сердца устанавливается при нарушении деятельности одного из 4 клапанов органа, например, при сужении или чрезмерном расширении сердечных отверстий.

Он представляет собой протез, при помощи которого поток крови направляется в правильное русло, при этом прерывистым образом перекрывается устье венозных и артериальных сосудов.

При грубом изменении створок клапана, из-за чего явно нарушается кровообращение, врачи назначают установление искусственного.

Показаниями для проведения операции могут стать следующие заболевания:

  1. Врожденный порок сердца у младенцев.
  2. Ревматические заболевания.
  3. Изменения в системе работы клапанов вследствие ишемических, травматических, иммунологических, инфекционных и других причин.

Как разрабатываются искусственные клапаны сердца?

Научная концепция тканевой инженерии основана на идее заселения и выращивания живых клеток (фибробластов, стволовых клеток и др.) в синтетическом или естественном рассасывающемся каркасе (матрице), представляющим собой трехмерную клапанную конструкцию, а также использование сигналов, регулирующих экспрессию генов, организацию и продуктивность пересаженных клеток в течение периода формирования экстрацеллюлярного матрикса.

Такие искусственные клапаны сердца интегрируются с тканью больного для окончательного восстановления и дальнейшего поддержания своей структуры и функции. При этом на исходной матрице в результате функционирования клеток (фибробластов, миофибробластов и др.) формируется новый коллагеноэластиновый каркас или, точнее, экстрацеллюлярный матрикс.

Тканевая инженерия разрабатывает искусственные клапаны сердца с использованием различных источники забора клеток. Так, могут применяться ксеногенные или аллогенные клетки, хотя первые связаны с риском переноса зоонозов человеку. Снизить антигенность и предотвратить реакции отторжения организма возможно генетической модификацией аллогенных клеток.

Для тканевой инженерии необходим надежный источник получения клеток. Таким источником являются аутогенные клетки, забираемые непосредственно от пациента и не дающие иммунных реакций во время реимплантации. Эффективные искусственные клапаны сердца произведены на основе аутологичных клеток, полученных из кровеносных сосудов (артерий и вен).

Для получения чистых клеточных культур разработан метод, основанный на использовании флюоресцентактивированной сортировки клеток — FACS. Смешанная клеточная популяция, полученная из кровеносного сосуда, метится ацетилированным, обладающим пониженной плотностью, липопротеиновым маркером, который избирательно абсорбируется на поверхности эндотелиоцитов.

Эндотелиоциты впоследствии можно легко отделить от основной массы клеток, полученных из сосудов, которая будет представлена смесью из гладкомышечных клеток, миофибробластов и фибробластов. Источник клеток, будь то артерия или вена, будет влиять на свойства конечной конструкции. Так, искусственные клапаны сердца с матрицей, засеянной венозными клетками, по степени сформированности коллагена и механической стабильности превосходят конструкции, засеянные артериальными клетками. Выбор периферических вен представляется более удобным источником забора клеток.

Миофибробласты также могут забираться из сонных артерий. Вместе с тем, клетки, полученные из сосудов, существенно отличаются своими характеристиками от естественных клеток интерстиция. В качестве альтернативного источника клеток могут быть использованы аутогенные клетки пуповины.

Тканевая инженерия разрабатывает искусственные клапаны сердца с использованием различных источники забора клеток. Так, могут применяться ксеногенные или аллогенные клетки, хотя первые связаны с риском переноса зоонозов человеку. Снизить антигенность и предотвратить реакции отторжения организма возможно генетической модификацией аллогенных клеток.

Для тканевой инженерии необходим надежный источник получения клеток. Таким источником являются аутогенные клетки, забираемые непосредственно от пациента и не дающие иммунных реакций во время реимплантации. Эффективные искусственные клапаны сердца произведены на основе аутологичных клеток, полученных из кровеносных сосудов (артерий и вен).

Для получения чистых клеточных культур разработан метод, основанный на использовании флюоресцентактивированной сортировки клеток — FACS. Смешанная клеточная популяция, полученная из кровеносного сосуда, метится ацетилированным, обладающим пониженной плотностью, липопротеиновым маркером, который избирательно абсорбируется на поверхности эндотелиоцитов.

Эндотелиоциты впоследствии можно легко отделить от основной массы клеток, полученных из сосудов, которая будет представлена смесью из гладкомышечных клеток, миофибробластов и фибробластов. Источник клеток, будь то артерия или вена, будет влиять на свойства конечной конструкции. Так, искусственные клапаны сердца с матрицей, засеянной венозными клетками, по степени сформированности коллагена и механической стабильности превосходят конструкции, засеянные артериальными клетками. Выбор периферических вен представляется более удобным источником забора клеток.

Механические искусственные клапаны сердца

Механические искусственные клапаны сердца — это альтернатива естественным. Сердечная мышца — один из главных органов человека, она имеет сложное строение:

  • 4 камеры;
  • 2 предсердия;
  • 2 желудочка, которые имеют перегородку, она, в свою очередь, делит их на 2 части.

Все они выполняют одну главную функцию — обеспечивают ток крови без препятствий через сердце по малому кругу к остальным тканям и органам. Ряд врожденных или приобретенных заболеваний может нарушить привычную циркуляцию.

Один или несколько клапанов начинают работать хуже, это приводит к стенозу или к сердечной недостаточности.

trusted-source

В этих случаях на помощь приходят механические или тканевые варианты. Чаще всего коррекции подвергаются участки с митральным или аортальным клапаном.

Механический клапан сердца имеет очень большой срок службы. Но при этом необходимо пожизненно принимать антикоагулянты — препараты для разжижения крови — и регулярно осуществлять контроль за ее состоянием. Благодаря этим медикаментам в сердечной полости не образуются тромбы.

Механические клапаны сердца состоят из следующих материалов:

  1. Распорки и обтураторы — изготовлены либо из пиролитического углерода либо из него же, но покрытого еще и титаном.
  2. Подшитое кольцо — изготавливают его из тефлона, полиэстера или дакрона.

Биологические варианты не требуют дополнительного приема медикаментов. Благодаря своим гемодинамическим свойствам эритроциты повреждаются в меньшей степени, а значит, снижается риск образования тромбов.

Но в то же время тканевый служит ограниченное количество времени. Обычно они изготовлены из тканей клапанов сердца свиньи, продолжительность работы биологического клапана составляет 15 лет в среднем, после чего требуется их замена.

Изнашивание его зависит от возраста больного и его здоровья.

Искусственные клапаны сердца человека

Чаще у молодых пациентов срок службы тканевого клапана меньше. С возрастом его изнашивание замедляется, так как человек уже не ведет столь активный образ жизни.

Перед операцией пациент вместе с врачом решает, какой клапан установить в каждом конкретном случае. Иногда принимается решение об операции с сохранением собственного.

Для этого разрабатываются методы протезирования митрального и аортального клапанов. Когда используются собственные ткани для коррекции, в этом есть свои преимущества.

Во-первых, это позволяет избежать постоянной антикоагуляции, необходимой при установлении механического клапана. Во-вторых, при биологическом клапане снижается риск быстрого износа протеза.

Отличаются износостойкостью (более 20 лет). Обладают тромбогенными свойствами, поэтому показан пожизненный прием варфарина (с или без аспирина при высоком риске). Шаровые клапаны относят к более старым моделям. Такие клапаны отличаются износостойкостью, однако являются достаточно тромбогенными, поэтому требуют более интенсивной антикоагулянтной терапии. Новые дисковые клапаны менее тромбогенны (двустворчатые — в меньшей степени, чем однодисковые).

Многолетний (с конца 1950-х годов) мировой опыт применения механических протезов клапанов сердца сформировал следующие требования к
ним[1]:

  • Механическая надёжность протеза должна обеспечивать долговечность его работы в течение жизни пациента.
  • Гемодинамические свойства протеза должны быть близки к естественным и сохраняться во времени (поток должен быть ламинарным, запирающий элемент должен обладать минимальной инерционностью, регургитация на протезе не должна быть выше, чем у естественных клапанов).
  • Протез должен быть биоинертным, не травмировать форменные элементы крови, обладать минимальным объёмом и массой.
  • Протез должен быть удобен для хирурга при имплантации в любых анатомических условиях.
  • Тромборезистентность должна исключать опасность развития тромбоза и тромбоэмболии без использования антикоагулянтной терапии.
  • Размеры и форма протеза не должны ухудшать механику сердечных сокращений.
  • Должен отсутствовать шумовой дискомфорт от работы протеза.
  • Должны быть гарантированы простота хранения и стерильность протеза.

Лепестковый клапан

Лепестковый клапан своей конструкцией в наибольшей степени имитируют строение естественных клапанов сердца, но используются значительно реже протезов других типов. Во первых, устаревшие конструкции лепестковых клапанов не используются из-за значительно большей вероятности осложнений (до полного разрушения клапана).

Известны три группы осесимметричных искусственных механических протезов клапанов сердца вентильного типа: клапаны с поступательным движением запирающего элемента (шаровые, полушаровые, чечевицеобразные и др.), поворотно-дисковые и двустворчатые.

Все эти протезы имеют одинаковый принцип работы и состав структурных элементов: запирающий элемент, ограничитель движения этого элемента, а также пришивную манжету для фиксации протеза. Запирающий элемент двигается пассивно в зависимости от изменения давления в сердечных камерах в течение сердечного цикла.

Многолетний (с конца 1950-х годов) мировой опыт применения механических протезов клапанов сердца сформировал следующие требования к
ним[2]:

  • Механическая надёжность протеза должна обеспечивать долговечность его работы в течение жизни пациента.
  • Гемодинамические свойства протеза должны быть близки к естественным и сохраняться во времени (поток должен быть ламинарным, запирающий элемент должен обладать минимальной инерционностью, регургитация на протезе не должна быть выше, чем у естественных клапанов).
  • Протез должен быть биоинертным, не травмировать форменные элементы крови, обладать минимальным объёмом и массой.
  • Протез должен быть удобен для хирурга при имплантации в любых анатомических условиях.
  • Тромборезистентность должна исключать опасность развития тромбоза и тромбоэмболии без использования антикоагулянтной терапии.
  • Размеры и форма протеза не должны ухудшать механику сердечных сокращений.
  • Должен отсутствовать шумовой дискомфорт от работы протеза.
  • Должны быть гарантированы простота хранения и стерильность протеза.

Первыми в кардиохирургии стали применяться механические клапаны, которые полностью состоят из искусственных материалов. Сначала были разработаны лепестковые протезы, которые имитировали строение натурального клапана со створками. Однако достаточно быстро оказалось, что конструкция ненадежна, протезы изнашивались и в некоторых случаях разрушались уже за год.

Кроме этого, повторить естественное движение створок с помощью искусственных материалов не получалось — при захлопывании клапан создавал гидравлический удар, который приводил к разрушениям форменных элементов крови и тромбообразованию. Эта проблема до конца не решена и сегодня, поэтому при установке механических клапанов человек вынужден пожизненно принимать антикоагулянты, разжижающие кровь.

Лепестковые клапаны были на некоторое время почти забыты, но сегодня с появлением эластичных полимеров, интерес к ним возродился. Новые материалы позволяют создавать долговечные протезы с минимальным риском образования тромбов, но пока такие модели находятся на стадии разработки.

Несмотря на все недостатки механических клапанов, они используются в 45% операций. В современной кардиохирургии популярной стала более прогрессивная конструкция — вентильные клапаны, в которых перекрытие тока крови обеспечивается разными запирающими элементами, например, небольшим шариком. Одним из вариантов является двухстворчатый искусственный клапан сердца, который используется чаще других протезов.

Лепестковый клапан

Искусственные клапаны сердца на основе стволовых клеток

Прогрессу тканевой инженерии в последние годы способствуют исследования стволовых клеток. Использование стволовых клеток красного костного мозга имеет свои преимущества. В частности, простота забора биоматериала и культивирования in vitro с последующей дифференциацией в различные типы мезенхимальных клеток позволяет избежать использования интактных сосудов.

Как устроены сердечные клапаны?

Человеческие стволовые клетки красного костного мозга получают посредством стернальной пункции или пункции гребня подвздошной кости. Их выделяют измл аспирата грудины, отделяют от других клеток и культивируют. По достижении необходимого числа клеток (обычно в течениесут) производят их засевание (колонизацию) на матрицы, культивируют в питательной среде в статическом положении (в течение 7 сут в увлажненном инкубаторе при 37 °С в присутствии 5% СО2).

В дальнейшем стимуляция клеточного роста осуществляется через купьтуральную среду (биологические стимулы) или через создание физиологических условий роста ткани при ее изометрической деформации в аппарате репродукции с пульсирующим потоком — биореакторе (механические стимулы). Фибробласты чувствительны к механическим стимулам, которые способствуют их росту и функциональной активности.

Пульсирующий поток вызывает увеличение как радиальных, так и окружных деформаций, что приводит к ориентации (вытянутости) заселенных клеток в направлении действия таких напряжений. Это приводит, в свою очередь, к формированию ориентированных волоконных структур створок. Постоянный поток вызывает только касательные напряжения на стенках.

Пульсирующий поток благотворно сказывается на клеточной морфологии, пролиферации и составе экстрацеллюлярного матрикса. Характер потока питательной среды, физико-химические условия (рН, рО2 и рСО2) в биореакторе также существенно влияют на продукцию коллагена. Так, ламинарный поток, циклические вихревые токи увеличивают продукцию коллагена, что приводит к улучшению механических свойств.

Другой подход в выращивании тканевых структур состоит в создании эмбриональных условий в биореакторе вместо моделирования физиологических условий человеческого организма. Выращенные на основе стволовых клеток тканевые биоклапаны имеют подвижные и пластичные створки, функционально состоятельные при воздействии высокого давления и потока, превышающего физиологический уровень.

Гистологическое и гистохимическое исследования створок этих структур показали наличие в них активно протекающих процессов биодеструкции матрицы и замещения ее жизнеспособной тканью. Ткань организована по слоистому типу с характеристиками протеинов экстрацеллюлярного матрикса, подобными характеристикам нативной ткани наличием коллагена I и III типа и гликозаминогликанов.

Однако не было получено типичного трехслойного строения створок — вентрикулярного, спонгиозного и фиброзного слоев. Обнаруженные во всех фрагментах ASMA-позитивные клетки, экспрессирующие виментин имели характеристики, схожие с характеристиками миофибробластов. При электронной микроскопии были обнаружены клеточные элементы с признаками, характерными для жизнеспособных, секреторно активных миофибробластов (актин/миозиновые филаменты, коллагеновые нити, эластин), а на поверхности ткани — эндотелиальные клетки.

Как устроены сердечные клапаны - состояние покоя и сокращения

На створках были обнаружены коллаген I, III типов, ASMA и виментин. Механические свойства створок тканевых и нативных структур были сопоставимы. Тканевые искусственные клапаны сердца показывали превосходную производительность в течение 20 нед и напоминали естественные анатомические структуры по своей микроструктуре, биохимическому профилю и формированию протеинового матрикса.

Все искусственные клапаны сердца, полученные методом тканевой инженерии, имплантировались животным в легочную позицию, поскольку их механические характеристики не соответствуют нагрузкам в аортальной позиции. Эксплантированные от животных тканевые клапаны по своей структуре близки к нативным, что свидетельствует о дальнейшем их развитии и перестройке в условиях in vivo.

Идеальные искусственные клапаны сердца должны обладать пористостью не менее 90%, поскольку это существенно для клеточного роста, доставки питательных веществ и удаления продуктов метаболизма клеток, Помимо биологической совместимости и способности к биодеструкции, искусственные клапаны сердца должны иметь химически благоприятную для засевания клеток поверхность и соответствовать механическим свойствам естественной ткани.

В настоящее время ведутся разработки синтетических и биологических матриц. Наиболее распространенными биологическими материалами для создания матриц являются донорскиеанатомические структуры, коллаген и фибрин. Полимерные искусственные клапаны сердца разрабатываются таким образом, чтобы биодеградировать после имплантации, как только имплантированные клетки начнут производить и организовывать свою собственную внеклеточную матричную сеть. Формирование новой матричной ткани можно регулировать или стимулировать с помощью факторов роста, цитокинов или гормонов.

Человеческие стволовые клетки красного костного мозга получают посредством стернальной пункции или пункции гребня подвздошной кости. Их выделяют из 10-15 мл аспирата грудины, отделяют от других клеток и культивируют. По достижении необходимого числа клеток (обычно в течение 21-28 сут) производят их засевание (колонизацию) на матрицы, культивируют в питательной среде в статическом положении (в течение 7 сут в увлажненном инкубаторе при 37 °С в присутствии 5% СО2).

В дальнейшем стимуляция клеточного роста осуществляется через купьтуральную среду (биологические стимулы) или через создание физиологических условий роста ткани при ее изометрической деформации в аппарате репродукции с пульсирующим потоком — биореакторе (механические стимулы). Фибробласты чувствительны к механическим стимулам, которые способствуют их росту и функциональной активности.

Пульсирующий поток вызывает увеличение как радиальных, так и окружных деформаций, что приводит к ориентации (вытянутости) заселенных клеток в направлении действия таких напряжений. Это приводит, в свою очередь, к формированию ориентированных волоконных структур створок. Постоянный поток вызывает только касательные напряжения на стенках.

Пульсирующий поток благотворно сказывается на клеточной морфологии, пролиферации и составе экстрацеллюлярного матрикса. Характер потока питательной среды, физико-химические условия (рН, рО2 и рСО2) в биореакторе также существенно влияют на продукцию коллагена. Так, ламинарный поток, циклические вихревые токи увеличивают продукцию коллагена, что приводит к улучшению механических свойств.

Другой подход в выращивании тканевых структур состоит в создании эмбриональных условий в биореакторе вместо моделирования физиологических условий человеческого организма. Выращенные на основе стволовых клеток тканевые биоклапаны имеют подвижные и пластичные створки, функционально состоятельные при воздействии высокого давления и потока, превышающего физиологический уровень.

Гистологическое и гистохимическое исследования створок этих структур показали наличие в них активно протекающих процессов биодеструкции матрицы и замещения ее жизнеспособной тканью. Ткань организована по слоистому типу с характеристиками протеинов экстрацеллюлярного матрикса, подобными характеристикам нативной ткани наличием коллагена I и III типа и гликозаминогликанов.

Однако не было получено типичного трехслойного строения створок — вентрикулярного, спонгиозного и фиброзного слоев. Обнаруженные во всех фрагментах ASMA-позитивные клетки, экспрессирующие виментин имели характеристики, схожие с характеристиками миофибробластов. При электронной микроскопии были обнаружены клеточные элементы с признаками, характерными для жизнеспособных, секреторно активных миофибробластов (актин/миозиновые филаменты, коллагеновые нити, эластин), а на поверхности ткани — эндотелиальные клетки.

[8], [9], [10], [11], [12], [13], [14]

Искусственные клапаны сердца: осложнения

Если клапаны сердца (искусственные) установлены своевременно, то осложнения, как правило, не возникают. В других случаях чаще возникают проблемы при несоблюдении рекомендаций врача после операции, нежели в момент, когда она производится.

Сердечные клапаны и их морфологическое строение

После хирургического вмешательства пациент должен придерживаться всех правил реабилитационного периода. А именно соблюдать режим дня, сидеть на определенной диете и принимать соответствующие медикаменты.

Только в этом случае человек даже с искусственным клапаном способен прожить долгую и жизнь без проблем со здоровьем.

Эти люди находятся в зоне риска такого заболевания, как тромбоэмболия. От того, насколько успешно ведется борьба с тромбозами, зависит дальнейшее существование человека.

Тромбоэмболические осложнения реже возникают у людей с биологическим сердечным клапаном. Но так как он имеет свои недостатки в плане срока службы, устанавливают такие нечасто и в большей степени пожилым пациентам.

У некоторых пациентов операция по ряду причин может вообще не проводиться. Так, противопоказанием для установления искусственного клапана могут стать следующие обстоятельства:

  1. Тяжелое поражение легких, печени или почек.
  2. Наличие в организме больного очага инфекции любой локализации (тонзиллита, гайморита, холецистита, пиелонефрита и даже кариозных зубов). В этом случае после операции может развиться инфекционный эндокардит.

Поэтому перед вмешательством рекомендуется пройти полное обследование и провести лечение всех хронических недугов. Только через месяц после удаления больного зуба можно помещать пациента в хирургическое отделение и проводить установку протеза.

При других оперативных вмешательствах это сделать придется лишь через 3 месяца. В настоящее время все чаще применяются малоинвазивные методы операции. Реабилитационный период при этом сокращается почти вдвое.

Тромбоз клапана

Факторы риска: неадекватная антикоагулянтная терапия и искусственный митралиный клапан. Частота тромбоза практически не зависит от вида клапана даже при адекватной антикоагулянтной терапии.

Клинические проявления: отек легких, тромбоэмболия в сосуды большого круга кровообращения, внезапная смерть.

Инструментальные методы исследования: приглушение звуков клапана, ограничение подвижности створок при трансторакальной ЭхоКГ или рентгеноскопии (и увеличение клапанного градиента давления по данным трансторакальной ЭхоКГ).

Лечение: антикоагулянтная терапия гепарином. Если тромб менее 5 мм по данным трансторакальной ЭхоКГ, антикоагулянтной терапии достаточно. Если тромб более 5 мм, необходимо дополнительное лечение (тромболизис, тромбэктомия или протезирование клапана).

Прогноз: протезирование клапана после его тромбоза сопровождается смертностью менее 15%, при тромболизисе смертность менее 10% (частота эмболии менее 20%). Тромболизис более эффективен при тромбозе аортального клапана, а также при недавнем начале тромбоза (менее 2 нед).

Эмболия

Чаще всего проявляется инфарктом головного мозга.

Частота: при отсутствии антикоагулянтной терапии составляет около 4% пациентов в год (эмболия является причиной гибели пациента или неврологических нарушений), 2% пациентов в год — при проведении антитромботической терапии и 1% — при приеме варфарина.

Факторы риска: ФП, возраст старше 70 лет, ухудшение функции левого желудочка, искусственный митральный клапан, шаровые клапаны, более одного искусственного клапана. При появлении периферической эмболии у пациента с искусственными клапанами следует предполагать эндокардит. При наличии признаков эмболии головного мозга следует отменить антикоагулянтную терапию до тех пор, пока с помощью КТ не будет исключено врутричерепное кровоизляние (при подтверждении кровоизлияния — консультация специалиста).

Гемолиз

У пациентов с механическими искусственными клапанами (даже если они нормально функционируют) часто наблюдают постоянный малоинтенсивный гемолиз. Выраженный гемолиз наблюдают редко, и, как правило, он является следствием дисфункции клапана (недостаточность, расхождение створок, инфицирование).

Методы исследования: снижение концентрации гемоглобина, повышение активности лактатдегидрогеназы (ЛДГ), снижение концентрации гаптоглобина в сыворотке крови, ретикулоцитоз.

Лечение направлено на основное заболевание (включая последующее вмешательство на клапане), включает переливание крови, назначение фолиевой кислоты, сульфата железа.

Эндокардит

Перепечатка материалов с сайта строго запрещена!

Информация на сайте предоставлена для образовательных целей и не предназначена в качестве медицинской консультации и лечения.

Донорские искусственные клапаны сердца

Донорские искусственные клапаны сердца, полученные от человека или животных и лишенные клеточных антигенов путем децеллюляризации для снижения их иммуногенности, можно использовать в качестве матриц. Сохранившиеся протеины экстрацеллюлярного матрикса являются основой для последующей адгезии засеваемых клеток.

Искусственные клапаны сердца человека

Существуют следующие способы удаления клеточных элементов (ацеллюляризации): замораживание, обработка трипсин/EDTA, детергентами — додецил сульфатом натрия, деоксиколатом натрия, Triton X-100, MEGA 10, TnBR CHAPS, Tween 20, а также многостадийные способы ферментативной обработки. При этом удаляются мембраны клеток, нуклеиновые кислоты липиды, цитоплазматические структуры и растворимые молекулы матрикса с сохранением коллагена и эластина.

Гистологическое исследование удаленных децеллюляризованных биоклапанов (аллографта и ксенографта) в эксперименте на животных (собаке и свинье) показало, что происходят частичные эндотелизация и врастание миофибробластов реципиента в основание, отсутствуют признаки его кальциноза. Отмечена умеренно выраженная воспалительная инфильтрация.

Однако при клинических испытаниях децеллюляризованного клапана SynerGraftTM развивалась ранняя недостаточность. В матриксе биопротеза определялась выраженная воспалительная реакция, которая вначале была неспецифической и сопровождалась лимфоцитарной реакцией. Дисфункция и дегенерация биопротеза развивались в течение одного года. Заселения матрикса клетками не было отмечено, однако были выявлены кальциноз створок и предимплантационные остатки клеток.

Засеянные эндотелиальными клетками бесклеточные матрицы и культивированные в условиях in vitro и in vivo образовывали целостный слой на поверхности створок, а засеянные интерстициальные клетки нативной структуры показали свою способность к дифференциации. Однако достичь необходимого физиологического уровня колонизации клеток на матриксе в динамических условиях биореактора не удавалось, а имплантированные искусственные клапаны сердца сопровождались достаточно быстрым (три месяца) утолщением за счет ускоренной клеточной пролиферации и образования экстрацеллюлярного матрикса.

Следует отметить, что коллаген также является одним из потенциальных биологических материалов для изготовления матриц, способных к биодеградации. Он может использоваться в виде пены, геля или пластин, губок и в качестве заготовки на волоконной основе. Однако применение коллагена связано с рядом технологических трудностей.

Донорские искусственные клапаны сердца, полученные от человека или животных и лишенные клеточных антигенов путем децеллюляризации для снижения их иммуногенности, можно использовать в качестве матриц. Сохранившиеся протеины экстрацеллюлярного матрикса являются основой для последующей адгезии засеваемых клеток.

Существуют следующие способы удаления клеточных элементов (ацеллюляризации): замораживание, обработка трипсин/EDTA, детергентами — додецил сульфатом натрия, деоксиколатом натрия, Triton X-100, MEGA 10, TnBR CHAPS, Tween 20, а также многостадийные способы ферментативной обработки. При этом удаляются мембраны клеток, нуклеиновые кислоты липиды, цитоплазматические структуры и растворимые молекулы матрикса с сохранением коллагена и эластина.

Фибрин — еще один биологический материал, имеющий управляемые характеристики биодеградации. Поскольку фибриновые гели могут быть изготовлены из крови пациента для последующего изготовления аутологичной матрицы, то имплантация такой структуры не вызовет его токсической деградации и воспалительной реакции. Однако фибрину присущи такие недостатки, как диффузия и вымывание в окружающую среду и низкие механические характеристики.

[15], [16], [17], [18], [19], [20], [21]

Операции на сердце по протезированию клапанов

Жизнь с искусственным клапаном сердца сводится к тому, что необходимо отслеживать, чтобы не развились тромбоэмболические осложнения. Люди после операции должны придерживаться ряда правил:

  1. Постоянный прием противотромбных препаратов, чаще всего это непрямые антикоагулянты (варфарин).
  2. Отказ от деятельности, которая предполагает активные движения, с целью избегания травм. В особенности это касается острых, режущих предметов.
  3. Постоянный контроль над качеством свертываемости крови.

После операции на протяжении 6 месяцев человек не должен подвергаться тяжелым физическим нагрузкам. Немаловажен водно-солевой режим, предполагающий ограничения в приеме поваренной соли.

В зависимости от того, по какой причине проводилась операция, назначаются дополнительные медикаменты с целью послеоперационного восстановления. Порой люди задаются вопросом, сколько можно прожить с искусственным клапаном. Однозначного ответа нет. Все зависит от индивидуальных особенностей пациента, его возраста и образа жизни.

Врачи выявили среднюю продолжительность жизни человека с искусственным сердечным клапаном, она составляет 20 лет. Сам же протез может прослужить и до 30 лет. Он не имеет свойств удлинять или укорачивать жизнь больного.

Часто люди с таким приспособлением, прожив 20 лет, умирают совершенно от других причин, не связанных с сердечным заболеванием.

Кроме выбора типа искусственного клапана, проблему составляло и проведение самой операции. Достаточно долгое время протезирование делалось на открытом сердце, для чего проводилась торакотомия — вскрытие грудной клетки. При замене клапана врачи останавливали сердце и подключали пациента к системе искусственного кровообращения.

Решение дала эндоваскулярная хирургия — малоинвазивная операция, которая проводится через кровеносные сосуды. По ним с помощью катетера к сердцу доставляется и устанавливается протез. Метод не требует общего наркоза и, главное, остановки сердца и подключения пациента к системе искусственного кровообращения.

Стандартом для замены аортального клапана стала методика TAVI (транскатетерная имплантация аортального клапана), при которой протез вводится пациенту через прокол в бедренной вене. Такие операции не противопоказаны пожилым пациентам и проводятся в два этапа — сначала делается стентирование коронарных сосудов, которое помогает снизить риск инфаркта, а после через несколько дней устанавливается клапан.

В 2018 году врачи Новосибирского Национального медицинского исследовательского центра им. академика Е. Н. Мешалкина создали биологический митральный клапан, который тоже можно установить эндоваскулярным методом.

Использованы фотоматериалы Shutterstock

Искусственные клапаны сердца из синтетических материалов

⛭

Искусственные клапаны сердца изготавливают также из синтетических материалов. Несколько попыток изготовления матриц клапанов были основаны на использовании полиглактина, полигликолевой кислоты (PGA), полилактической кислоты (PLA), сополимера PGA и PLA (PLGA) и полигидроксиалканоатов (РНА). Высокопористый синтетический материал может быть получен из плетеного или неплетеного волокна и с использованием технологии солевого выщелачивания.

Перспективный композитный материал (PGA/ Р4НВ) для изготовления матриц получен из неплетеных петель полигликолевой кислоты (PGA), покрытых поли-4-гидроксибутиратом (Р4НВ). Изготовленные искусственные клапаны сердца из этого материала стерилизуются оксидом этилена. Однако значительная начальная жесткость и толщина петель этих полимеров, их быстрая и бесконтрольная деградация, сопровождающаяся выделением кислых цитотоксичных продуктов, требуют дальнейших исследований и поиска других материалов.

Использование пластин тканевых культур аутологичных миофибробластов, культивированных на каркасе, с целью формирования опорных матриц за счет стимулирования продукции этих клеток позволило получить образцы клапанов с активными жизнеспособными клетками, окруженными внеклеточным матриксом. Однако механические свойства тканей этих клапанов пока недостаточны для их имплантации.

Необходимый уровень пролиферации и регенерации ткани создаваемого клапана может быть не достигнут путем только объединения клеток и матрицы. Экспрессия клеточного гена и формирование ткани может регулироваться или стимулироваться добавлением факторов роста, цитокинов или гормонов, митогенных факторов или факторов адгезии в матрицах и матриксах.

Бесклеточный свиной ксеногенный легочный биопротез Matrix P состоит из децеллюляризованной ткани, обработанной посредством специальной запатентованной процедуры AutoTissue GmbH, включающей обработку антибиотиками, деоксихолатом натрия и спиртом Данный способ обработки, утвержденный Международной организацией по стандартизации, устраняет все живые клетки и постклеточные структуры (фибробласты, эндотелиоциты, бактерии, вирусы, грибки, микоплазмы), сохраняет архитектонику экстрацеллюлярного матрикса, снижает уровень ДНК и РНК в тканях до минимума, что сводит к нулю вероятность трансмиссии свиного эндогенного ретровируса (PERV) человеку. Биопротез Matrix P состоит исключительно из коллагена и эластина с сохраненной структурной интеграцией.

В ходе экспериментов на овцах была зарегистрирована минимальная реакция со стороны окружающих тканей через 11 месяцев после имплантации биопротеза Matrix Р с хорошими показателями его приживаемости, что, в частности, проявлялось в блестящей внутренней поверхности его эндокарда. Фактически отсутствовали воспалительные реакции, утолщение и укорочение створок клапана.

Искусственные клапаны сердца Matrix P адаптируется к индивидуальным условиям пациента в течение нескольких месяцев после его имплантации. При исследовании по истечении контрольного срока выявлены интактный внеклеточный матрикс и сливной эндотелий. Ксенографт Matrix R имплантированный при операции Росса, выполненной у 50 пациентов с врожденными пороками в период с 2002 по 2004 г, показал превосходную производительность и более низкие трансклапанные градиенты давления по сравнению с криоконсервированными и децеллюляризованными аллографтами SynerGraftMT, а также бескаркасными биопротезами, обработанными глутаровым альдегидом.

Искусственные клапаны сердца Matrix P предназначен для протезирования клапана легочной артерии при реконструкции выходного тракта правого желудочка в хирургии врожденных и приобретенных пороков и при протезировании легочного клапана в ходе процедуры Росса, доступен в 4 типоразмерах (по внутреннему диаметру): для новорожденных (15-17 мм), для детей (18-21 мм), промежуточный (22-24 мм) и взрослый (25-28 мм).

Прогресс в разработке клапанов на основе тканевой инженерии будет зависеть от успехов клапанной клеточной биологии (включая вопросы экспрессии гена и регуляцию), изучения эмбриогенного и возрастного развития клапанов (включая ангиогенные и неврогенные факторы), точного знания биомеханики каждого клапана, идентификации адекватных клеток для заселения, разработки оптимальных матриц.

[22], [23], [24], [25], [26]

Портнов Алексей Александрович

Профилактика тромбоэмболии

Чтобы не развилось подобное осложнение, врач назначает постоянный прием антикоагулянтов. Если операция прошла без проблем, то терапия назначается на вторые сутки, чаще всего это гепарин, который вводится от 4 до 6 раз в день.

На 5 сутки дозы гепарина снижают и вводят непрямые антикоагулянты. По достижении нужного протромбинового индекса гепарин отменяется вообще.

Врач обязан подробно рассказать пациенту об антикоагулянтных препаратах, так как они должны правильно сочетаться с потребляемой пищей. Данные лекарства могут не сочетаться с другими либо их действие снижается. Это тоже необходимо учесть. При любых нарушениях в состоянии пациента необходима помощь врача.

Клеточное строение сердечных клапанов

Решить проблемы жестких механических клапанов позволили биологические протезы. Эти конструкции частично состоят из специально обработанных тканей животного (свиньи, быка) или человека. Разработки в этом направлении появились в 60-х годах ХХ века, практически одновременно с первыми моделями механических клапанов. Изначально натуральные элементы фиксировались на жестком искусственном кольце. Современные же конструкции отличаются гибкими каркасами.

За счет использования натуральных эластичных тканей биологические протезы обеспечивают более мягкий ток крови и не приводят к образованию тромбов. Кроме этого, несмотря на то что их срок службы меньше, чем у механических, выходят из строя они постепенно, поэтому операцию по замене клапана можно проводить планово.

Основная проблема таких клапанов — кальцификация, отложение кальция на эластичных натуральных элементах. Именно она и является главной причиной износа протеза. Поэтому современные исследования связаны с улучшением обработки используемых в имплантате тканей, которая помогает уменьшить отложения кальция.

Одну из перспективных разработок недавно представил Новосибирский Национальный медицинский исследовательский центр им. академика Е. Н. Мешалкина. Врачам удалось создать протез с особым разрезом и отсутствием швов, кроме этого, биоткань обрабатывалась по новой технологии с применением препаратов бисфосфонатов.

Начало исследования кровоснабжения клапанов положил Н Luschka (1852), применив инъекцию сосудов сердца контрастной массой. Он обнаружил в створках предсердно-желудочковых и полулунных клапанов аорты и легочной артерии многочисленные кровеносные сосуды. Вместе с тем, в ряде руководств по патологической анатомии и гистологии имелись указания о том, что неизмененные сердечные клапаны человека не содержат кровеносных сосудов, а последние появляются в клапанах только при различных патологических процессах — атеросклерозе и эндокардитах различной этиологии.

Сведения об отсутствии кровеносных сосудов базировались в основном, на гистологических исследованиях. Предполагалось, что при отсутствии кровеносных сосудов в свободной части створок их питание происходит путем фильтрации жидкости из плазмы крови, омывающей створки. Отмечалось проникновение немногочисленных сосудов вместе с волокнами поперечнополосатой мышечной ткани в основания створок и сухожильных хорд.

Однако при инъекции сосудов сердца различными красителями (туши в желатине, висмута в желатине, водной взвеси черной туши, растворов кармина или трипанового голубого) было установлено, что сосуды проникают в предсердно-желудочковые cердечные клапаны, клапаны аорты и легочной артерии вместе с сердечной мышечной тканью, немного не достигая свободного края створки.

В рыхлой волокнистой соединительной ткани створок предсердно-желудочковых клапанов были обнаружены отдельные магистральные сосуды, анастомозирующие с сосудами рядом расположенных участков сердечной поперечнополосатой мышечной ткани.

Наибольшее количество кровеносных сосудов располагалось в основании и сравнительно меньшее — в свободной части этих клапанов.

По данным К. И. Кульчицкого и др. (1990), больший диаметр артериальных и венозных сосудов встречается в митральном клапане. В основании створок этого клапана располагаются, главным образом, магистральные сосуды с узкопетлистой сетью капилляров, проникающие в базальную часть створки и занимающие 10% ее площади.

В трикуспидальном клапане артериальные сосуды имеют меньший диаметр, чем в митральном. В створках этого клапана располагаются, преимущественно, сосуды рассыпного типа и сравнительно широкие петли кровеносных капилляров. В митральном клапане более интенсивно кровоснабжается передняя створка, в трикуспидальном — передняя и задняя створки, несущие основную замыкательную функцию.

Соотношение диаметров артериальных и венозных сосудов в предсердно-желудочковых клапанах сердца людей зрелого возраста составляет 1:1,5. Петли капилляров имеют полигональную форму и располагаются перпендикулярно основанию створок клапана. Сосуды образуют плоскостную сеть, расположенную под эндотелием со стороны предсердий.

Кровеносные сосуды выявлены также в сухожильных хордах, куда они проникают из сосочковых мышц правого и левого желудочков на расстояние до 30% длины сухожильных хорд. Многочисленные кровеносные сосуды образуют дугообразные петли в основании сухожильных хорд. Сердечные клапаны аорты и легочного ствола по кровоснабжению в значительной степени отличаются от предсердно-желудочковых.

К основанию полулунных створок клапанов аорты и легочного ствола подходят магистральные сосуды относительно меньшего диаметра. Короткие ветви этих сосудов заканчиваются петлями капилляров неправильной овальной и полигональной формы. Они располагаются, преимущественно, вблизи основания полулунных створок.

Венозные сосуды в основании клапанов аорты и легочной артерии также имеют меньший диаметр, чем в основании предсердно-желудочковых клапанов. Соотношение диаметров артериальных и венозных сосудов в клапанах аорты и легочной артерии сердца людей зрелого возраста составляет 1:1,4. От более крупных сосудов отходят короткие боковые веточки, заканчивающиеся петлями капилляров неправильной овальной и полигональной формы.

С возрастом наблюдается огрубление волокон соединительной ткани, как коллагеновых, так и эластических, а также уменьшение количества рыхлой волокнистой неоформленной соединительной ткани, развивается склероз ткани створок предсердно-желудочковых клапанов и полулунных створок клапанов аорты и легочной артерии.

Уменьшается протяженность в клапанах волокон сердечной поперечнополосатой мышечной ткани, а следовательно, снижается ее количество и число проникающих в сердечные клапаны кровеносных сосудов. В связи с указанными изменениями cердечные клапаны теряют свои эластические и упругие свойства, что оказывает влияние на механизм закрытия створок и гемодинамику.

Сердечные клапаны имеют сети лимфатических капилляров и незначительное количество лимфатических сосудов, снабженных клапанами. Лимфатические капилляры створок имеют характерный вид: просвет их весьма неравномерен, один и тот же капилляр в разных участках имеет различный диаметр. В местах слияния нескольких капилляров образуются расширения — лакуны различной формы.

Петли сетей имеют чаще неправильную многоугольную, реже овальную или круглую форму. Нередко петли лимфатических сетей не замкнуты, и лимфатические капилляры заканчиваются слепо Петли лимфатических капилляров ориентированы чаще в направлении от свободного края створки к ее основанию. В ряде случаев в створках атриовентрикулярного клапана была обнаружена двухслойная сеть лимфатических капилляров.

Нервные сплетения эндокарда располагаются в различных его слоях, главным образом под эндотелием. У свободного края створок клапанов нервные волокна располагаются, преимущественно, радиально, соединяясь с таковыми сухожильных хорд. Ближе к основанию створок образуется крупнопетлистое нервное сплетение, которое соединяется со сплетением, находящимся вокруг фиброзных колец. На полулунных створках эндокардиальная нервная сеть более редкая. У места прикрепления клапанов она становится густой и многослойной.

Клапанные интерстициальные клетки, отвечающие за поддержание структуры клапана, имеют вытянутую форму с большим числом тонких отростков, которые тянутся через весь матрикс клапана. Существуют две популяции клапанных интерстициальных клеток, отличающихся по морфологии и структуре; одни обладают сократительными свойствами и характеризуются наличием сократительных фибрилл другие обладают секреторными свойствами и имеют хорошо развитый эндоплазматический ретикулум и аппарат Гольджи.

Сократительная функция противостоит гемодинамическому давлению и дополнительно поддерживается выработкой как кардиального, так и скелетного сократительных белков, которые включают тяжелые цепи альфа- и бета-миозина и различные изоформы тропонина. Сокращение створки сердечного клапана было продемонстрировано в ответ на ряд вазоактивных агентов, предполагающих координирующее действие биологического стимула для успешного функционирования клапана.

Интерстициальные клетки являются также необходимыми компонентами восстановительной системы таких структур, как сердечные клапаны. Постоянное движение створок и деформация соединительной ткани, связанная с ней, производит повреждение, на которое клапанные интерстициальные клетки реагируют с целью сохранения целостности клапана.

Важным направлением в исследовании интерстициапьных клеток является изучение взаимодействия между ними и окружающим их матриксом, опосредованное фокальной адгезией молекул. Фокальные адгезии — специализированные клеточно-матриксные участки взаимодействия, связывающие цитоскелет клетки с белками матрикса через интегрины.

Они также действуют как сигнальные участки для трансдукции, передающие механическую информацию с внеклеточного матрикса, которая может добиваться ответов, включая, но не ограничиваясь этим, клеточную адгезию, миграцию, рост и дифференциацию. Понимание клеточной биологии клапанных интерстициальных клеток жизненно важно для установления механизмов, при помощи которых эти клетки взаимодействуют между собой и окружающей средой, для возможности воспроизведения этой функции в искусственных клапанах.

В связи с развитием перспективного направления тканевой инженерии сердечных клапанов исследования интерстициапьных клеток проводятся с использованием широкого спектра методик. Наличие цитоскелета клеток подтверждено окрашиванием на виментин, десмин, тропонин, альфа-актина и миозина гладких мышц, тяжелых цепей альфа- и бета-миозина, легких цепей-2 кардиального миозина, альфа- и бета-тубулина.

Сокращаемость клеток подтверждена позитивным ответом на епинефрин, ангиотензин II, брадикинин, карбахол, хлорид калия, эндотелии I. Клеточная взаимосвязь определена функциональными щелевыми взаимодействиями и проверена микроинъекциями карбоксифлюоресцеина. Матриксная секреция установлена окрашиванием на пролил-4-гидроксилазу / коллаген II типа, фибронектин, хондроитин сульфат, ламинин.

Иннервация установлена близким расположением двигательных нервных окончаний, что отражается активностью нейропептида Y тирозин гидроксилазы, ацетилхолинэстеразы, вазоактивного кишечного полипептида, субстанции-Р, капьцитонин ген-связанного пептида. Митогенные факторы оценены тромбоцитарным-наследуемым фактором роста, основным фактором роста фибробластов, серотонином (5-НТ).

Исследованные фибробласты интерстициальных клеток характеризуются неполной базальной мембраной, длинными, тонкими цитоплазматическими отростками, близкой связью с матриксом, хорошо развитым неровным эндоплазматическим ретикулумом и аппаратом Гольджи, богатством микрофиламентами, формированием адгезивных связей.

Биопротезы

Биопротезы или аплотрансплантаты не требуют длительной антикоагулянтной терапии, но менее износостойки, чем механические клапаны (при применении аллотрансплантатов недостаточность развивается в течение 15 лет в 10-20% случаев, при использовании биопротезов недостаточность чаще развивается у пациентов моложе 40 лет).

Клапанная гемодинамика

Операции на сердечных клапанах становятся все более распространенными, главной задачей кардиохирургии в этом направлении является создание таких протезов, которые вызывали бы минимум осложнений и не изнашивались. Одним из вариантов является клапанный гомографт — вариант биологических протезов, в котором в качестве натуральных элементов используются ткани человека, включая и сердечные клапаны.

От аналогов такие импланты отличаются лучшими показателями приживаемости и часто используются для операций у детей, в том числе в случае врожденных пороков у младенцев. При установке такого протеза реже наблюдаются воспалительные осложнения, поэтому он рекомендован пациентам с риском развития инфекционного эндокардита.

Главный недостаток клапанного гомографта — редкость и небольшой срок хранения. Кроме этого, каждый искусственный клапан уникален и в производстве требует достаточно сложных технологических условий. Цена протеза намного выше, чем у аналогов.

Снизить риск осложнений при трансплантации можно за счет установки индивидуальных протезов, которые учитывают анатомические особенности сердца конкретного пациента. Перспективным направлением здесь является 3D-печать. В 2017 году трехмерные модели транскрипционного аортального клапана создали специалисты из Stewart School of Industrial and Systems Engineering at Georgia Institute of Technology в Атланте.

Различные искусственные клапаны обладают специфическими свойствами и предназначены для строго определенного места имплантации. Из указанных клапанов наименьшей площади для имплантации требуются шаровые устройства и биопротезы, в то время как аллотрансплантаты занимают практически весь участок размещения естественного клапана.

Функции клапанов сердца

Клиническая оценка: любой искусственный клапан издает характерный звук. Дисфункцию можно распознать по изменению этого звука, появлению нового (или изменению) шума.

Методы визуализации для оценки движений створок клапана можно использовать рентгеноскопию (если клапан механический). Движения створок ограничиваются при тромбозе, избыточные движения основания кольца наблюдают при разрушении клапана. Трансторакальная ЭхоКГ имеет ограниченное применение, так как металлический клапан дает эхо-тень;

Чреспищеводную ЭхоКГ предпочтительнее применять для оценки функции искусственного митрального клапана, она менее информативна для оценки функции искусственного аортального клапана. МРТ безопасна для большинства современных механических клапанов. Метод дорогостоящий и требуе- много времени, поэтому используется в случаях когда не удается получить достаточно информации с помощью трансторакальной или чреспищеводной ЭхоКГ.

Катетеризация сердца позволяет оценить клапанный градиент давления (и, следовательно, площадь клапана). Можно определить степень недостаточности. Существует риск проникновения катетера через механический клапан, поэтому метод используют в предоперационной подготовке или в случаях, когда неинвазивные методы не дают точных результатов.

Сердце можно сравнить с насосом, который непрерывно снабжает организм кровью — артериальная, поступающая к тканям, обеспечивает их кислородом и питательными веществами, а венозная, наоборот, забирает углекислый газ и продукты метаболизма. Эффективность работы сердца зависит от того, насколько хорошо оно способно перекачивать кровь и разделять эти два потока.

Сердце состоит из четырех камер, которые, последовательно наполняясь и сжимаясь, выталкивают кровь в сосудистое русло. Камеры разделены клапанами — аортальным, митральным, трехстворчатым и легочным. И именно они отвечают за ток крови в правильном направлении.

Дефекты клапанов (провисание и разрушение створок) приводят к тому, что закрываются они недостаточно плотно, на фоне чего возникает регургитация — обратный ток крови. Это приводит к сердечной недостаточности и в тяжелых случаях представляет угрозу жизни. Такие патологии всегда требуют оперативного лечения, но только в крайних случаях речь идет о трансплантации.

Пороки сердца бывают врожденными и приобретенными. В операциях часто нуждаются дети и пожилые люди. Например, по статистике у 10% пациентов старше 75 лет развивается порок митрального клапана. Такие категории пациентов требуют особого подхода в проведении операций на сердце и последующей реабилитации. И это, безусловно, отразилось на развитии методик протезирования.

Рекомендации I и II классов Американской кардиологической ассоциации по выбору искусственного клапана

Рекомендации для протезирования механическим искусственным клапаном:

  • Пациенты с длительной ожидаемой продолжительностью жизни — I.
  • Пациенты с уже имеющимся другим протезированным клапаном — I.
  • Пациенты с почечной недостаточностью, находящиеся на гемодиализе, или с гиперкальциемией — II.
  • Пациенты, которым показана антикоагулянтная терапия из-за наличия факторов риска тромбоэмболии — IIа.
  • Пациенты младше 65 лет для протезирования аортального клапана, младше 70 лет — для протезирования митрального клапана — IIа.
  • Пациенты старше 65 лет, нуждающиеся в протезировании аортального клапана, при отсутствии факторов риска тромбоэмболии — I.
  • Пациенты, у которых предположительно будут возникать проблемы с соблюдением режима назначения варфарина — IIа.
  • Пациенты старше 70 лет, нуждающиеся в протезировании митрального клапана, при отсутствии факторов риска тромбоэмболии — IIb.
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Сердечные заболевания