Введение
Замена клапана в человеческом сердце
Искусственный клапан сердца – это односторонний клапан, имплантируемый в сердце человека для замены неисправного клапана (клапанная болезнь сердца). Искусственные клапаны сердца можно разделить на три основных класса: механические клапаны сердца, биопротезные клапаны и клапаны из искусственно выращенной ткани. Человеческое сердце содержит четыре клапана: трехстворчатый клапан, клапан легочной артерии, митральный клапан и аортальный клапан. Их основное назначение – обеспечивать кровоток в правильном направлении через сердце и из сердца в крупные кровеносные сосуды, соединенные с ним (легочную артерию и аорту). Сердечные клапаны могут функционировать неправильно по различным причинам, что может затруднять прохождение крови через клапан (стеноз) и/или приводить к обратному току крови через клапан (регургитация). Оба этих процесса создают нагрузку на сердце и могут привести к серьезным проблемам, включая сердечную недостаточность. В то время как некоторые неисправные клапаны можно лечить медикаментозно или восстановить, другие требуют замены искусственным клапаном.
Предыстория
Сердце содержит четыре клапана (трикуспидальный, лёгочный, митральный и аортальный клапаны), которые открываются и закрываются по мере прохождения крови через сердце. Кровь поступает в сердце в правое предсердие и проходит через трикуспидальный клапан в правый желудочек. Оттуда кровь перекачивается через лёгочный клапан в лёгкие. После насыщения кислородом кровь поступает в левое предсердие, где она перекачивается через митральный клапан в левый желудочек. Левый желудочек перекачивает кровь в аорту через аортальный клапан. Существует множество потенциальных причин повреждения сердечных клапанов, таких как врождённые пороки, возрастные изменения и последствия других заболеваний, например, ревматической лихорадки и инфекций, вызывающих эндокардит. Высокое кровяное давление и сердечная недостаточность, которые могут приводить к увеличению сердца и артерий, а также образование рубцовой ткани после сердечного приступа или травмы. Три основных типа искусственных сердечных клапанов – механические, биологические (биопротезы/тканевые) и клапаны, созданные с использованием тканевой инженерии. В США, Великобритании и Европейском союзе наиболее распространённым типом искусственного сердечного клапана является биопротез. Механические клапаны чаще используются в Азии и Латинской Америке. Компании, производящие сердечные клапаны, включают Edwards Lifesciences, Medtronic, Abbott (St. Jude Medical), CryoLife и LifeNet Health.
Механические клапаны
Механические клапаны бывают трех основных типов: клапаны с шаром в клетке, дисковые наклоняющиеся и билефлетные – с различными модификациями этих конструкций. Клапаны с шаром в клетке больше не имплантируют. Билефлетные клапаны являются наиболее распространенным типом механических клапанов, имплантируемых пациентам в настоящее время.
Клеточные шаровые клапаны
Первым искусственным клапаном сердца был клапан с шаром в клетке – тип шарового обратного клапана, в котором шар помещен внутри клетки. Когда сердце сокращается и давление крови в камере сердца превышает давление снаружи камеры, шар прижимается к клетке, обеспечивая отток крови. Когда сердце заканчивает сокращение, давление внутри камеры падает, и шар возвращается к основанию клапана, образуя герметичное уплотнение. В 1952 году Чарльз А. Хуфнагель имплантировал десять пациентов клетчатыми шаровыми клапанами сердца (шесть из которых пережили операцию), что ознаменовало первый успех в области протезирования сердечных клапанов. Подобный клапан был изобретен Майлзом «Лоуэллом» Эдвардсом и Альбертом Старром в 1960 году и обычно известен как силастиковый шаровый клапан Старра-Эдвардса. Он состоял из силиконового шара, заключенного в клетку из метилметакрилата, приваренную к кольцу. Клапан Старра-Эдвардса был впервые имплантирован человеку 25 августа 1960 года и был снят с производства компанией Edwards Lifesciences в 2007 году.
Клапан с наклонительным диском
Впервые клинически доступным клапаном с наклоняющимся диском стал клапан Бьорк-Шили, представленный в 1969 году. Клапаны с наклоняющимся диском, являющиеся разновидностью маятникового клапана, изготавливаются из металлического кольца, покрытого тканью из ePTFE. Металлическое кольцо удерживает, при помощи двух металлических держателей, диск, который открывается при сокращении сердца, обеспечивая проток крови, а затем снова закрывается, предотвращая обратный ток крови. Диск обычно изготавливается из чрезвычайно твердого углеродного материала (пиролитического углерода), что обеспечивает долговременную работу клапана без износа.
Билевые клапаны
Введенные в 1979 году, двухстворчатые клапаны изготавливаются из двух полукруглых створок, вращающихся вокруг стоек, прикрепленных к корпусу клапана. Благодаря большему отверстию, чем у клапанов с шаром в клетке или дисковых клапанов, они связаны с меньшим риском образования тромбов. Однако они подвержены обратному току крови.
Преимущества механических клапанов
Основным преимуществом механических клапанов перед биопротезами является их большая долговечность. Поскольку они изготавливаются из металла и/или пиролитического углерода, кавитационные испытания являются неотъемлемой частью процесса верификации конструкции клапана. Многие осложнения, связанные с механическими клапанами сердца, можно объяснить принципами гидродинамики. Например, образование тромбов – это побочный эффект высоких напряжений сдвига, возникающих из-за конструкции клапана. С точки зрения инженерии, идеальный сердечный клапан должен создавать минимальное падение давления, иметь небольшой объем обратного тока, минимизировать турбулентность, снижать вероятность возникновения высоких напряжений и предотвращать отрыв потока вблизи клапана. Имплантированные механические клапаны могут вызывать реакцию отторжения как на инородное тело. Кровь может сворачиваться, что в конечном итоге приводит к тромбозу. Для предотвращения тромбообразования потребуется пожизненный прием антикоагулянтов.
Клапанные клапаны для биопротезирования тканей
Биопротетические клапаны обычно изготавливаются из ткани животного (гетеротрансплантат/ксенотрансплантат), прикрепленной к металлической или полимерной опоре. Ткань обрабатывается для предотвращения отторжения и кальцификации. Иногда используются альтернативы животным тканям, например, клапаны от доноров человека, как при аортальных гомотрансплантатах и легочных аутотрансплантатах. Аортальный гомотрансплантат – это аортальный клапан от человека-донора, полученный либо после его смерти, либо из сердца, удаленного для замены во время трансплантации сердца. Это означает, что у людей с биопротезами выше вероятность необходимости в повторной замене аортального клапана в течение жизни. В последние годы ученые разработали новую технологию сохранения тканей с целью повышения долговечности биопротезов. В исследованиях на овцах и кроликах ткань, сохраненная с использованием этой технологии, демонстрировала меньшую степень кальцификации по сравнению с контрольной группой. Клапан, содержащий эту ткань, уже представлен на рынке, но данных о долгосрочной долговечности у пациентов пока нет. Современные биопротезы не отличаются долговечностью и со временем кальцинируются. При кальцификации створки клапана становятся жесткими и утолщенными, что препятствует их полному смыканию. Эти тканево-инженерные клапаны включают в себя заселение человеческих клеток на каркас. Каркас действует как внеклеточный матрикс, направляя рост ткани в правильную трехмерную структуру сердечного клапана. 3D-печать используется благодаря ее высокой точности и возможности работы с различными биоматериалами. Ученые могут воспроизводить структуру сердечных клапанов, создавая объекты, похожие на них, но поскольку тканево-инженерные клапаны лишены естественной клеточной основы, они либо не выполняют свои функции, как естественные клапаны сердца, либо функционируют после имплантации, но постепенно деградируют со временем. Идеальный тканево-инженерный сердечный клапан должен быть не тромбогенным, биосовместимым, долговечным, устойчивым к кальцификации, расти вместе с сердцем и обеспечивать физиологический гемодинамический профиль. Для достижения этих целей каркас следует тщательно выбирать – существует три основных кандидата: децеллюляризованный внеклеточный матрикс (ксенотрансплантаты или гомотрансплантаты), природные полимеры и синтетические полимеры. Тканевые клапаны состоят из человеческой или животной ткани. Клапаны, изготовленные из человеческой ткани, известные как аллографты или гомографты, берутся из сердец доноров. Однако некоторые патологии сердечных клапанов (например, ревматический эндокардит) могут приводить к клинически значимой регургитации. Желательным свойством протезов сердечного клапана является минимальная регургитация во всем диапазоне физиологической функции сердца. Минимальный трансвальвулярный градиент давления – при протекании жидкости через сужение, такое как клапан, возникает градиент давления на этом сужении. Этот градиент давления является результатом повышенного сопротивления потоку через сужение. Естественные клапаны сердца имеют низкий трансвальвулярный градиент давления, поскольку они оказывают незначительное сопротивление потоку, обычно менее 16 мм рт. ст. Желательным свойством протезов сердечного клапана является максимально низкий трансвальвулярный градиент давления. Не тромбогенность – естественные клапаны сердца выстланы эндотелием, подобным эндотелию, выстилающему камеры сердца, поэтому они обычно не тромбогенны (то есть не вызывают образования тромбов). Тромбы могут быть опасны, поскольку они могут закупоривать нижележащие артерии (например, коронарные артерии, приводящие к инфаркту миокарда; или артерии головного мозга, приводящие к инсульту). Желательным свойством искусственных клапанов сердца является их не тромбогенность или минимальная тромбогенность. Самовосстановление – створки клапана сохраняют некоторую способность к восстановлению благодаря регенеративным клеткам (например, фибробластам) в соединительной ткани, из которой они состоят. Поскольку человеческое сердце бьется примерно 3,4 × 109 раз в течение типичной жизни, эта ограниченная, но все же существующая способность к восстановлению имеет решающее значение. В настоящее время ни один протез сердечного клапана не способен к самовосстановлению, но тканево-инженерные клапаны могут в будущем предложить такую возможность. Исследователи изучают взаимозаменяемые протезы сердечного клапана, которые позволяют проводить повторные операции и быстрое восстановление после замены искусственного клапана.