Биоинженерные стратегии замены поврежденных сердечных клапанов

Растущее бремя сердечно-сосудистой болезни

Болезнь сердечного клапана (ССЗ) представляет собой серьезную и растущую проблему в сердечно-сосудистой медицине. Более 2,5 миллионов человек в одних только Соединенных Штатах диагностируется клинически значимое заболевание клапанов каждый год, причем распространенность резко возрастает в популяции старше 65 лет. Четыре сердечных клапана - митральный, трикуспидальный, аортальный и легочный - работают в точной координации для обеспечения однонаправленного кровотока через сердце. Когда любой из этих клапанов становится стенотическим (не открывается полностью) или регургитантным (не закрывается должным образом), сердце должно работать больше, чтобы поддерживать адекватный выход, что приводит к каскаду компенсационных изменений, которые в конечном итоге могут привести к сердечной недостаточности. Наиболее распространенные основные этиологии включают возрастную дегенеративную кальцификацию (особенно аортального клапана), ревматические болезни сердца, инфекционный эндокардит, врожденные пороки развития (такие как миксоматозная дегенерация), и нарушения соединительной ткани, такие как миксоматозная дегенерация. Пациенты обычно присутствуют с прогресс

Ограничения обычных протезов клапанов

В течение десятилетий стандарт лечения больных клапанов сердца был заменен либо механическим, либо биопротезным клапаном. Оба подхода имеют хорошо документированные сильные стороны, но ни один из них не является идеальным. Механические клапаны, как правило, построенные из пиролитического углерода с металлической рамкой, чрезвычайно долговечны и могут длиться 20–30 лет и более. Однако их тромбогенные поверхности требуют пожизненной антикоагуляции варфарином, что подвергает пациентов значительному риску кровотечения, включая 1-2% годового риска крупного кровоизлияния. Соблюдение частого мониторинга INR накладывает значительную нагрузку на образ жизни, и даже при оптимальном управлении тромбоэмболические события все еще происходят со скоростью примерно 1-2% в год. Биопротезные клапаны, изготовленные из фиксированного глютаральдегидом свиного или бычьего перикарда, предлагают более физиологический профиль потока и, как правило, не требуют хронической антикоагуляции. Однако они подвержены структурной дегенерации клапанов (СВД), приводимой в движение прогрессирующей кальцификацией, разрывом листьев и образованием паннуса, что

Биоинженерные стратегии замены живых клапанов

Биоинженерия направлена на создание функциональных, живых тканевых конструкций, которые могут быть имплантированы в тело, где они интегрируются с хозяином, поддерживают или восстанавливают нормальную клапанную функцию, и в идеале растут и реконструируются с течением времени. В настоящее время проводится несколько дополнительных стратегий, каждая со своим набором инструментов, методов и трансляционных препятствий. Наиболее заметные подходы включают тканево-инженерные сердечные клапаны (TEHV), полученные путем посева биоразлагаемых каркасов с аутологичными клетками, 3D-биопечать специфических для пациента архитектур клапанов с использованием клеточных биоинконструкций, децеллюляризованных каркасов, которые рецеллюляризируются либо in vitro, либо in vivo, и дифференцировку стволовых клеток для генерации конкретных популяций клеток, необходимых для клапанного гомеостаза. Сближаясь, достижения в вычислительном моделировании, интеллектуальных материалов и систем культуры биореакторов ускоряют прогресс в направлении клинически жизнеспособных продуктов.

Тканевые инженерные клапаны сердца (TEHV)

Основополагающая концепция ТЭГВ включает в себя объединение биоразлагаемых каркасов — часто состоящих из синтетических полимеров, таких как полигликолевая кислота (ПГА), поликапролактона (ПЛГА) или поли(лактико-ко-гликолевая кислота) или природных полимеров, таких как коллаген, фибрин или гиалуроновая кислота — с живыми клетками, которые будут размножаться, секретировать внеклеточный матрикс (ЭКМ), и постепенно заменять деградирующие каркасы функциональной тканью хозяина. В классической парадигме аутологичные клетки (обычно эндотелиальные клетки и интерстициальные клетки) собирают у пациента, расширяют в культуре и сеяют на каркас. Конструкция затем помещают в биореактор, который применяет динамическое механическое кондиционирование — физиологическое давление, растяжение и выравнивание клеток, что стимулирует выработку матрицы и клеточное выравнивание, что приводит к прочному, хорошо организованному состоянию ткани, что

3D биопечать и аддитивное производство

3D биопечать предлагает беспрецедентный контроль над пространственной организацией клеток, биоматериалов и биологических препаратов, что позволяет изготавливать анатомически точные конструкции клапанов, которые могут быть адаптированы к анатомии и патологии отдельного пациента. Используются несколько методов биопечати: экструзионная печать (наиболее распространенные) отложения непрерывных нитей клеточного гидрогеля (биоинка) с высоким разрешением; струйная печать отложений пиколитра с высоким разрешением; и подходы к лазерной печати обеспечивают наивысшую точность, но менее масштабируемы. Биоинка рецептура имеет решающее значение: она должна обеспечивать структурную целостность во время и после печати, поддерживать жизнеспособность и функцию клеток и позволять последующее созревание тканей. Общие компоненты биоинки включают желатиновый метакрилоил, гиалуроновую кислоту, децеллюляризованную ECM и фибрин, часто смешиваются для достижения желаемых реологических и механических свойств. Исследователи печатают полные аортальные клапаны трилеафлета с коаксиальными микроканалами для эндотелиальной клеточной Гибридные каркасы/биотические конструкции продолжаются.

Технологии стволовых клеток и дифференциация

Стволовые клетки являются краеугольным камнем регенеративной биоинженерии клапанов, поскольку они могут обеспечить два ключевых типа клеток, необходимых для функции клапана: клапанные эндотелиальные клетки (VEC), которые отвечают за поддержание ECM, восстановление повреждений и модуляцию клапанной механики. Индуцированные человеком плюрипотентные стволовые клетки (iPSCs) и мезенхимальные стволовые клетки (MSCs) являются наиболее широко изученными источниками. iPSCs имеют преимущество быть специфичными для пациента (избегая иммунологического отторжения) и способными к неограниченному расширению, но они требуют сложных многоступенчатых протоколов дифференциации для генерации VECs и VICs с высокой чистотой. Недавний прогресс определил ключевые сигнальные пути - включая TGF-β, BMP, Notch и Wnt - которые стимулируют вальвулогенез во время эмбрионального развития, и исследователи применили эти знания для разработки протоколов дифференциации in vitro, которые имитируют эти сигналы. Например, экспонирование iPSCs в определенный коктейль факторов роста (активин Тем не менее, строгий контроль над дифференциацией вне цели, особенно предотвращение нежелательной кальцификации или хондрогенеза ВИК, остается критическим барьером для клинического успеха.

Децеллюляризованные леса и рецеллюляризация

Децеллюляризация включает удаление всего клеточного и ядерного материала из донорского клапана сердца (человеческого или ксеногенного) при сохранении нативной архитектуры ECM, композиции и основных биомеханических свойств. Полученный клеточный каркас сохраняет сложную трехмерную геометрию - в том числе слоистую структуру листьев, фиброзный аннулус и клапанные синусы - что чрезвычайно трудно воспроизвести синтетическим путем. Протоколы децеллюляризации обычно используют комбинацию моющих средств (например, додекилсульфат натрия, Тритон X-100), ферментативное лечение (трипсин, DNase) и осмотический шок, но протокол должен быть тщательно оптимизирован для удаления иммуногенных эпитопов (например, эпитопа α-Gal в свиных клапанах) при минимизации повреждения компонентов ECM, таких как коллаген, эластин и гликозаминогликаны. После децеллюляризации каркас может быть имплантирован непосредственно и полагаться на репопуляцию клеток-хозяев (что происходит вариативно в зависимости от места имплантации и состояния пациента). Клинический опыт Протокол остается областью активной оптимизации и клинического исследования.

Новые технологии и внедрение инноваций

Умные материалы и динамически реагирующие полимеры

Следующее поколение биоинженерии клапанов все чаще включает «умные» материалы — полимеры, которые реагируют на физиологические стимулы, изменяя их структуру, механику или биоактивность. Например, полимеры с памятью формы (SMPs) могут быть изготовлены в компактную форму доставки, которая развертывается чрескожно (через катетер), а затем расширяется в правильную геометрию клапана при воздействии температуры тела, pH или гидратации. Это особенно привлекательно для минимально инвазивной замены клапанов, где текущие устройства ограничены необходимостью восстановления металлических стентов. Самоисцеляющиеся гидрогели, которые могут восстанавливать микроповреждения через обратимые ковалентные или динамические супрамолекулярные связи, могут продлевать срок службы утомляемости инженерных листовок клапана. Другой многообещающий класс материалов — протеаз-чувствительные гидрогели: они содержат пептидные последовательности, которые расщепляются специально матричными металлопротеиназами (MMPs), производимыми в процессе ремоделирования, позволяя каркасу «раствориться

Вычислительное моделирование и индивидуальный дизайн пациента

Никакие современные усилия по биоинженерии не могут быть успешными без вычислительного моделирования. Анализ конечных элементов (FEA) и вычислительная динамика жидкости (CFD) используются для моделирования кинематики открытия и закрытия клапанов, распределения напряжений листовок, моделей сдвига и гемодинамических параметров, таких как трансвалвулярный градиент и эффективная область отверстия. Эти модели могут быть построены из данных визуализации конкретного пациента (CT, МРТ, 3D-эхокардиография), что позволяет проектировать клапан, который соответствует родной кольцевой геометрии пациента, соблюдению корневых аорт и коронарной остии - ключевое преимущество для растущего поля процедур транскатетерного клапана в клапане и клапана в кольце. Машинное обучение в настоящее время применяется для прогнозирования долгосрочного ремоделирования поведения инженерных тканей, выявления оптимальных комбинаций материалов каркаса из высокопроизводительных экранов и даже уточнения параметров процесса биопечати (температура, давление, скорость) с использованием клеточного уровня поведения (активация VIC, секреция матрицы) и механика на уровне ткани

Переводческие проблемы и путь в клинику

Иммунное отторжение и воспаление Милье

Даже когда каркас построен из собственных клеток пациента, продукты деградации каркаса (особенно синтетические полимеры) могут вызвать реакцию чужеродного тела, характеризующуюся инфильтрацией макрофагов, образованием гигантских клеток и фиброзом, которые могут затвердеть клапанную листовку и нарушить функцию. Если каркас загружен факторами роста или другими биологическими препаратами, пространственно-временное дозирование должно избегать активации адаптивной иммунной системы. Для децеллюляризованных ксеногенных каркасов остаточные α-Гал и другие гликаны остаются проблемой, несмотря на расширенные протоколы децеллюляризации, и ранние клинические исследования сообщили о доказательствах иммунной сенсибилизации у некоторых реципиентов. Понимание взаимодействия между химией каркаса, кинетикой деградации и иммунным ответом хозяина является основным текущим исследовательским фокусом.

Устойчивость и усталость в среде высокого давления

Человеческий аортальный клапан закрывается примерно 40 миллионов раз в год под диастолическим давлением 80 мм рт. ст. Поэтому любой сконструированный клапан должен выдерживать более миллиарда циклов сжимающей и растягивающей нагрузки в течение 25-летнего ожидаемого срока службы у взрослого человека. Это требование превышает текущую долговечность практически любой инженерной конструкции ткани, которая обычно деградирует или выходит из строя механически в течение нескольких месяцев в исследованиях на животных. Усталость биологического клапана обусловлена циклическим повреждением коллагеновых волокон, деламинированием слоя и образованием кальцификационных узлов. Биоинженерные клапаны должны быть либо предварительно кондиционированы до почти нативной зрелости ECM в биореакторе, либо набирать надежный ответ ремоделирования хозяина, который откладывает прочный, сшитый коллаген со скоростью, которая идет в ногу с деградацией каркаса. Разработка тестеров ускоренной усталости и прогнозных вычислительных моделей, которые могут оценить 10-летнюю эквивалентную производительность от краткосрочных экспериментов, является высоким приоритетом для регулирующих органов.

Регуляторные, производственные и масштабируемые препятствия

Биоинженерные клапаны сердца представляют собой класс продуктов - конструкции живых тканей - для которых нормативная база (FDA, EMA) все еще развивается. Эти устройства не вписываются аккуратно в классические "устройства" или "биологические" пути, часто требующие комбинации CMC (Химия, Производство и Контроль) строгость плюс доказательство клинической безопасности и эффективности, приводимые в действие для редких нежелательных явлений. Производство живого клапана является сложным: живой клапан должен выполняться в строгих асептических условиях и проверяться для каждого пациента (автогенный подход) или для финансируемого аллогенного источника (который повышает иммуногенность и безопасность проблем). Стоимость за клапан в настоящее время на порядки выше, чем обычные протезы, и логистика (отгрузка свежих, жизнеспособных конструкций в больницы) все еще находится в стадии разработки, и неразрушающие методы контроля качества (например, ультразвук, оптическая когерентная томография) необходимы для обеспечения согласованности без разрушения продукта. Несмотря на эти препятствия, несколько компаний-стартапов и академические спин-ауты продвигают TEHV в испытаниях безопасности фазы

Будущие направления и клинические перспективы

Несмотря на огромные научные и нормативные проблемы, траектория биоинженерии для замены сердечного клапана безошибочно положительна. Несколько клинических испытаний в настоящее время регистрируются или в поздней стадии проектирования клапанов в легочном положении (обычно необходимы при врожденной болезни сердца), и ранние сообщения о случаях аутологичных клеточных клапанов в положении аорты обнадеживают. Сближение биологии стволовых клеток, 3D-биопечати, интеллектуальных материалов и компьютерного моделирования создает набор инструментов, которые можно комбинировать и настраивать способами, которые были невообразимы десять лет назад. В долгосрочной перспективе цель состоит не просто в замене поврежденного клапана, но и в регенерации: живая, растущая, самовосстанавливающаяся структура, которая восстанавливает нормальную гемодиамику, устраняет необходимость в антикоагулянте и длится всю жизнь. Для педиатрических пациентов, которые в настоящее время сталкиваются с множественными повторными операциями, замена живого клапана может быть действительно преобразующей. Для пожилых людей с кальцификационным стенозом а

Для дальнейшего чтения Американская кардиологическая ассоциация предоставляет обширный обзор заболеваний клапанов и вариантов лечения.NIH Национальная медицинская библиотека ведёт базу данных с открытым доступом соответствующих научных статей.ClinicalTrials.govУправление по контролю за продуктами и лекарствами США предлагает регуляторные перспективы для клапанных устройств и продуктов на основе тканей.