מסתמי לב מלאכותיים

מסתמי לב מלאכותיים ביולוגיים מודרניים הזמינים לשימוש קליני, למעט אוטוגרפט ריאתי, הם מבנים לא ברי-קיימא וחסרי פוטנציאל לגדילה ולתיקון רקמות. עובדה זו מטיל מגבלות משמעותיות על השימוש בהם, במיוחד אצל ילדים, לתיקון פתולוגיה של המסתמים. הנדסת רקמות התפתחה ב-15 השנים האחרונות. מטרת כיוון מדעי זה היא ליצור בתנאים מלאכותיים מבנים כגון מסתמי לב מלאכותיים בעלי משטח עמיד בפני תרומבוזיס ואינטרסטיציום בר-קיימא.

[ 1 ], [ 2 ]

כיצד מפתחים מסתמי לב מלאכותיים?

התפיסה המדעית של הנדסת רקמות מבוססת על הרעיון של אכלוס וגידול תאים חיים (פיברובלסטים, תאי גזע וכו') במטריצה (מטריצה) סינתטית או טבעית הניתנת לספיגה, שהיא מבנה מסתם תלת-ממדי, וכן על שימוש באותות המווסתים את ביטוי הגנים, הארגון והפרודוקטיביות של התאים המושתלים במהלך תקופת היווצרות המטריצה החוץ-תאית.

מסתמי לב מלאכותיים כאלה משולבים ברקמת המטופל לצורך שיקום סופי ותחזוקה נוספת של המבנה והתפקוד שלהם. במקרה זה, כתוצאה מתפקוד התאים (פיברובלסטים, מיופיברובלסטים וכו') נוצרת מסגרת קולגן-אלסטין חדשה על המטריצה המקורית. כתוצאה מתפקוד התאים (פיברובלסטים, מיופיברובלסטים וכו') נוצרת מטריצה חוץ-תאית. כתוצאה מכך, מסתמי לב מלאכותיים אופטימליים שנוצרו על ידי הנדסת רקמות צריכים להיות קרובים למסתמי הלב המקוריים מבחינת מבנה ותפקוד אנטומיים, וגם בעלי יכולת הסתגלות ביומכנית, יכולת תיקון וצמיחה.

הנדסת רקמות מפתחת מסתמי לב מלאכותיים באמצעות מקורות שונים לאיסוף תאים. לפיכך, ניתן להשתמש בתאים קסנוגניים או אלוגניים, אם כי הראשונים קשורים לסיכון להעברת זואונוזות לבני אדם. ניתן להפחית את האנטיגניות ולמנוע תגובות דחייה של הגוף על ידי שינוי גנטי של תאים אלוגניים. הנדסת רקמות דורשת מקור אמין של תאים. מקור כזה הוא תאים אוטוגניים הנלקחים ישירות מהמטופל ואינם מייצרים תגובות חיסוניות במהלך ההשתלה מחדש. מסתמי לב מלאכותיים יעילים מיוצרים על בסיס תאים אוטולוגיים המתקבלים מכלי דם (עורקים וורידים). פותחה שיטה המבוססת על שימוש במיון תאים המופעל על ידי פלואורסצנציה - FACS כדי להשיג תרביות תאים טהורות. אוכלוסיית תאים מעורבת המתקבלת מכלי דם מסומנת בסמן ליפופרוטאין בצפיפות נמוכה אצטיל, אשר נספג באופן סלקטיבי על פני השטח של האנדותליוציטים. לאחר מכן ניתן להפריד בקלות את תאי האנדותל מרוב התאים המתקבלים מכלי הדם, אשר יהיו תערובת של תאי שריר חלק, מיופיברובלסטים ופיברובלסטים. מקור התאים, בין אם עורק או וריד, ישפיע על תכונות המבנה הסופי. לפיכך, מסתמי לב מלאכותיים עם מטריצה מגורעת בתאים ורידיים עדיפים ביצירת קולגן וביציבות מכנית בהשוואה למבנים המגורעים בתאים עורקיים. נראה כי הבחירה בוורידים היקפיים היא מקור נוח יותר לאיסוף תאים.

ניתן לקצור מיופיברובלסטים גם מעורקי התרדמה. עם זאת, לתאים שמקורם בכלי דם יש מאפיינים שונים באופן משמעותי מתאים אינטרסטיציאליים טבעיים. ניתן להשתמש בתאי חבל טבור אוטולוגיים כמקור תאים חלופי.

מסתמי לב מלאכותיים המבוססים על תאי גזע

בשנים האחרונות, התקדמות בהנדסת רקמות התאפשרה הודות למחקר תאי גזע. לשימוש בתאי גזע של מח עצם אדום יש יתרונות. בפרט, פשטות איסוף החומרים הביולוגיים והגידול במבחנה (in vitro) ולאחר מכן ההתמיינות לסוגים שונים של תאים מזנכימליים מאפשרת הימנעות משימוש בכלי דם שלמים. תאי גזע הם מקורות פלוריפוטנטיים לשושלות תאים ובעלי מאפיינים אימונולוגיים ייחודיים התורמים ליציבותם בתנאים אלוגניים.

תאי גזע של מח עצם אדום אנושי מתקבלים באמצעות ניקור עצם החזה או ניקור קרץ הכסל. הם מבודדים מ-10-15 מ"ל של שאיבת עצם החזה, מופרדים מתאים אחרים ומעובדים. עם הגעה למספר התאים הנדרש (בדרך כלל תוך 21-28 ימים), הם נזרעים (מותיישבים) על מטריצות ומעובדים במצע תזונתי במצב סטטי (במשך 7 ימים באינקובטור לח ב-37 מעלות צלזיוס בנוכחות 5% CO2). לאחר מכן, צמיחת התאים מגורה באמצעות המצע הקופטורלי (גירויים ביולוגיים) או על ידי יצירת תנאים פיזיולוגיים לצמיחת רקמה במהלך דפורמציה איזומטרית שלה במנגנון רבייה עם זרימה פועמת - ביו-ריאקטור (גירויים מכניים). פיברובלסטים רגישים לגירויים מכניים המקדמים את צמיחתם ופעילותם התפקודית. הזרימה הפועמת גורמת לעלייה בעיוותים רדיאליים והיקפיים כאחד, מה שמוביל לכיוון (הארכה) של התאים המאוכלסים בכיוון של לחצים כאלה. זה, בתורו, מוביל להיווצרות מבנים סיביים מכוונים של המסתמים. זרימה קבועה גורמת רק למאמצים משיקיים על הדפנות. לזרימה הפועמת יש השפעה מיטיבה על המורפולוגיה התאית, התפשטות התאים והרכב המטריצה החוץ-תאית. אופי זרימת המדיום התזונתי, התנאים הפיזיקוכימיים (pH, pO2 ו-pCO2) בביו-ריאקטור משפיעים גם הם באופן משמעותי על ייצור הקולגן. לפיכך, זרימה למינרית וזרמי מערבולת מחזוריים מגבירים את ייצור הקולגן, מה שמוביל לשיפור התכונות המכניות.

גישה נוספת לגידול מבני רקמה היא יצירת תנאים עובריים בביו-ריאקטור במקום לדמות תנאים פיזיולוגיים של גוף האדם. מסתמי רקמה הגדלים על בסיס תאי גזע הם בעלי מתלים ניידים וגמישים, בעלי יכולת תפקודית תחת השפעת לחץ גבוה וזרימה העולה על הרמה הפיזיולוגית. מחקרים היסטולוגיים והיסטוכימיים של מתלי המבנים הללו הראו נוכחות של תהליכים פעילים של הרס ביולוגי של המטריצה והחלפתה ברקמה בת קיימא. הרקמה מאורגנת לפי הסוג השכבתי עם מאפיינים של חלבוני מטריצה חוץ-תאיים הדומים לאלה של הרקמה הטבעית, נוכחות של קולגן מסוג I ו-III וגליקוזאמינוגליקנים. עם זאת, לא התקבל המבנה התלת-שכבתי הטיפוסי של המתלים - שכבות חדריות, ספוגיות וסיביות. תאים חיוביים ל-ASMA המבטאים וימנטין שנמצאו בכל השברים היו בעלי מאפיינים דומים לאלה של מיופיברובלסטים. מיקרוסקופ אלקטרונים חשף אלמנטים תאיים עם מאפיינים האופייניים למיופיברובלסטים פעילים ומפרישים בת קיימא (סיבי אקטין/מיוזין, חוטי קולגן, אלסטין) ותאי אנדותל על פני הרקמה.

קולגן מסוג I, III, ASMA ווימנטין זוהו על העלעלים. התכונות המכניות של עלעלי הרקמה והמבנים הטבעיים היו דומות. מסתמי לב מלאכותיים ברקמה הראו ביצועים מצוינים במשך 20 שבועות ודמו למבנים אנטומיים טבעיים במיקרו-מבנה שלהם, בפרופיל הביוכימי וביצירת מטריצת החלבון.

כל מסתמי הלב המלאכותיים שהתקבלו באמצעות הנדסת רקמות הושתלו בבעלי חיים בתנוחה ריאתית, מכיוון שמאפייניהם המכניים אינם תואמים את העומסים בתנוחת אבי העורקים. מסתמי הרקמה שהוצאו מבעלי חיים דומים במבנהם למסתמי הלב הטבעיים, דבר המצביע על התפתחותם וארגון מחדש מתמשך in vivo. האם תהליך ארגון מחדש והתבגרות הרקמות יימשך בתנאים פיזיולוגיים לאחר השתלת מסתמי הלב המלאכותיים, כפי שנצפה בניסויים בבעלי חיים, יוכח על ידי מחקרים נוספים.

מסתמי לב מלאכותיים אידיאליים צריכים להיות בעלי נקבוביות של לפחות 90%, שכן זהו תהליך חיוני לצמיחת תאים, אספקת חומרים מזינים וסילוק תוצרי מטבוליזם תאיים. בנוסף להתאמה ביולוגית ופירוק ביולוגי, מסתמי לב מלאכותיים צריכים להיות בעלי משטח נוח מבחינה כימית לזריעת תאים ולתאם לתכונות המכניות של רקמה טבעית. רמת הפירוק הביולוגי של המטריצה צריכה להיות ניתנת לשליטה ופרופורציונלית לרמת היווצרות הרקמה החדשה כדי להבטיח יציבות מכנית לאורך זמן.

כיום, מפותחות מטריצות סינתטיות וביולוגיות. החומרים הביולוגיים הנפוצים ביותר ליצירת מטריצות הם מבנים אנטומיים של תורמים, קולגן ופיברין. מסתמי לב מלאכותיים מפולימרים מתוכננים להתפרק ביולוגית לאחר ההשתלה, ברגע שהתאים המושתלים מתחילים לייצר ולארגן את רשת המטריצה החוץ-תאית שלהם. היווצרות רקמת מטריצה חדשה יכולה להיות מווסתת או מגורה על ידי גורמי גדילה, ציטוקינים או הורמונים.

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

מסתמי לב מלאכותיים של תורמים

מסתמי לב מלאכותיים מתורמים שהתקבלו מבני אדם או בעלי חיים ונודלדו מאנטיגנים תאיים על ידי דה-צלולריזציה כדי להפחית את האימונוגניות שלהם יכולים לשמש כמטריצות. החלבונים השמורים של המטריצה החוץ-תאית הם הבסיס להידבקות עתידית של התאים שנזרעו. קיימות השיטות הבאות להסרת אלמנטים תאיים (א-צלולריזציה): הקפאה, טיפול בטריפסין/EDTA, דטרגנטים - נתרן דודציל סולפט, נתרן דאוקסיקולאט, Triton X-100, MEGA 10, TnBR CHAPS, Tween 20, וכן שיטות טיפול אנזימטיות רב-שלביות. במקרה זה, מסירים קרומי תאים, חומצות גרעין, ליפידים, מבנים ציטופלזמיים ומולקולות מטריצה מסיסות תוך שימור קולגן ואלסטין. עם זאת, עדיין לא נמצאה שיטה אידיאלית. רק נתרן דודציל סולפט (0.03-1%) או נתרן דאוקסיקולאט (0.5-2%) הביאו להסרת תאים מלאה לאחר 24 שעות של טיפול.

בדיקה היסטולוגית של מסתמים ביולוגיים שעברו דה-תאיים (אלו-גרפט וקסנו-גרפט) בניסוי בבעלי חיים (כלב וחזיר) הראתה אנדותליזציה חלקית וצמיחה פנימה של מיופיברובלסטים של המקבל לתוך הבסיס, ללא סימני הסתיידות. נצפתה הסתננות דלקתית בינונית. עם זאת, במהלך ניסויים קליניים של מסתם SynerGraft™ שעבר דה-תאיים התפתחה כשל מוקדם. זוהתה תגובה דלקתית בולטת במטריקס הביו-פרוטזה, אשר בתחילה הייתה לא ספציפית ולוותה בתגובה לימפוציטית. תפקוד לקוי וניוון של הביו-פרוטזה התפתחו במהלך שנה אחת. לא נצפתה התיישבות תאית במטריקס, אך זוהו הסתיידות של המסתמים ושאריות תאים טרום-השרשה.

מטריצות נטולות תאים שנזרעו בתאי אנדותל וגודלו במבחנה ובחי יצרו שכבה קוהרנטית על פני המסתמים, ותאי אינטרסטיציאל בעלי המבנה הטבעי שנזרעו הדגימו את יכולתם להתמיין. עם זאת, לא ניתן היה להשיג את הרמה הפיזיולוגית הנדרשת של התיישבות תאים על המטריצה בתנאים דינמיים של הביו-ריאקטור, ומסתמי הלב המלאכותיים שהושתלו לוו בהתעבות מהירה למדי (שלושה חודשים) עקב התפשטות תאים מואצת ויצירת מטריצה חוץ-תאית. לפיכך, בשלב זה, לשימוש במטריצות נטולות תאים תורם לצורך התיישבותן עם תאים יש מספר בעיות לא פתורות, כולל בעיות אימונולוגיות וזיהומיות; העבודה על ביו-פרוטזות מנותקות תאים נמשכת.

יש לציין כי קולגן הוא גם אחד החומרים הביולוגיים הפוטנציאליים לייצור מטריצות המסוגלות להתפרק ביולוגית. ניתן להשתמש בו בצורת קצף, ג'ל או פלטות, ספוגים וכתמונה ריקה מבוססת סיבים. עם זאת, השימוש בקולגן כרוך במספר קשיים טכנולוגיים. בפרט, קשה להשיגו מחולה. לכן, כיום, רוב מטריצות הקולגן הן ממקור מן החי. פירוק ביולוגי איטי של קולגן מן החי עלול להוביל לסיכון מוגבר לזיהום בזואונוזות, לגרום לתגובות אימונולוגיות ודלקתיות.

פיברין הוא חומר ביולוגי נוסף בעל מאפייני פירוק ביולוגי מבוקרים. מכיוון שניתן לייצר ג'לים של פיברין מדם המטופל לצורך ייצור מאוחר יותר של מטריצה אוטולוגית, השתלת מבנה כזה לא תגרום לפירוק רעיל שלו ולתגובה דלקתית. עם זאת, לפיברין יש חסרונות כמו דיפוזיה ודליפה לסביבה ותכונות מכניות נמוכות.

[ 7 ], [ 8 ], [ 9 ], [ 10 ], [ 11 ]

מסתמי לב מלאכותיים עשויים מחומרים סינתטיים

מסתמי לב מלאכותיים עשויים גם הם מחומרים סינתטיים. מספר ניסיונות לייצר מטריצות של מסתמים התבססו על שימוש בפוליגלקטין, חומצה פוליגליקולית (PGA), חומצה פולילקטית (PLA), קופולימר PGA ו-PLA (PLGA) ופוליהידרוקסיאלקאנואטים (PHA). ניתן להשיג חומר סינתטי בעל נקבוביות גבוהה מסיבים קלועים או לא קלועים ובאמצעות טכנולוגיית שטיפת מלחים. חומר מרוכב מבטיח (PGA/P4HB) לייצור מטריצות מתקבל מלולאות לא קלועות של חומצה פוליגליקולית (PGA) מצופות בפולי-4-הידרוקסיבוטיראט (P4HB). מסתמי לב מלאכותיים המיוצרים מחומר זה עוברים עיקור באמצעות אתילן אוקסיד. עם זאת, הנוקשות הראשונית המשמעותית והעובי של הלולאות של פולימרים אלה, פירוקם המהיר והבלתי מבוקר, המלווה בשחרור של תוצרים ציטוטוקסיים חומציים, דורשים מחקר נוסף וחיפוש אחר חומרים אחרים.

השימוש בתרבית רקמה אוטולוגית של מיופיברובלסטים, המגודלת על גבי פיגום, ליצירת מטריצות תומכות על ידי גירוי ייצור תאים אלה, אפשר קבלת דגימות מסתמים עם תאים ברי-קיימא פעילים המוקפים במטריצה חוץ-תאית. עם זאת, התכונות המכניות של רקמות המסתמים הללו עדיין אינן מספיקות להשתלתן.

ייתכן שלא ניתן להשיג את הרמה הנדרשת של התפשטות והתחדשות רקמות של המסתם הנוצר על ידי שילוב תאים ומטריצה בלבד. ביטוי גנים של תאים ויצירת רקמות עשויים להיות מווסתים או מגורים על ידי הוספת גורמי גדילה, ציטוקינים או הורמונים, גורמים מיטוגניים או גורמי הידבקות למטריצות ולפיגומים. האפשרות להכניס מווסתים אלה לחומרים ביולוגיים של המטריצה נחקרת. בסך הכל, קיים מחסור משמעותי במחקר על ויסות היווצרות מסתמי רקמה על ידי גירויים ביוכימיים.

ביופרותזת הריאה הקסנוגנית הא-תאית של חזיר, Matrix P, מורכבת מרקמה מנותקת מתאית שעובדה בהליך מיוחד המוגן בפטנט של AutoTissue GmbH, הכולל טיפול באנטיביוטיקה, נתרן דאוקסיכלאט ואלכוהול. שיטת עיבוד זו, שאושרה על ידי הארגון הבינלאומי לתקינה, מסלקת את כל התאים החיים והמבנים הפוסט-תאיים (פיברובלסטים, תאי אנדותל, חיידקים, וירוסים, פטריות, מיקופלזמה), משמרת את הארכיטקטורה של המטריצה החוץ-תאית, מפחיתה את רמת ה-DNA וה-RNA ברקמות למינימום, מה שמפחית לאפס את הסבירות להעברה של הרטרו-וירוס האנדוגני של חזיר (PERV) לבני אדם. הביופרותזת Matrix P מורכבת אך ורק מקולגן ואלסטין עם אינטגרציה מבנית משומרת.

בניסויים בכבשים, נרשמה תגובה מינימלית מהרקמות הסובבות 11 חודשים לאחר השתלת הביו-פרותזה של Matrix P עם שיעורי הישרדות טובים, דבר שהתבטא במיוחד במשטח הפנימי המבריק של האנדוקרדיום. תגובות דלקתיות, עיבוי וקיצור עללי המסתם כמעט ולא נצפו. רמות נמוכות של סידן ברקמה בתותבת הביו-פרותזה של Matrix P נרשמו גם כן, ההבדל היה מובהק סטטיסטית בהשוואה לאלו שטופלו בגלוטראלדהיד.

מסתם הלב המלאכותי Matrix P מסתגל למצבו האישי של כל מטופל תוך מספר חודשים לאחר השתלתו. הבדיקה בסוף תקופת הביקורת חשפה מטריצה חוץ-תאית שלמה ואנדותל מחובר. שתל Matrix R שהושתל ב-50 מטופלים עם מומים מולדים במהלך הליך רוס בין השנים 2002 ו-2004 הדגים ביצועים טובים יותר ומפלצי לחץ טרנס-וולבולריים נמוכים יותר בהשוואה לאלוגרפטים של SynerGraftMT שעברו הקפאה ומבוצעים בצלולריה ולביו-פרוטזות ללא פיגומים שטופלו בגלוטראלדהיד. מסתמי לב מלאכותיים Matrix P מיועדים להחלפת מסתם ריאתי במהלך שחזור מערכת היציאה של החדר הימני בניתוחים למומים מולדים ונרכשים ובמהלך החלפת מסתם ריאתי במהלך הליך רוס. הם זמינים ב-4 גדלים (לפי קוטר פנימי): לילודים (15-17 מ"מ), לילדים (18-21 מ"מ), בינוני (22-24 מ"מ) ולמבוגרים (25-28 מ"מ).

ההתקדמות בפיתוח מסתמים מהונדסים רקמות תהיה תלויה בהתקדמות בביולוגיה של תאי המסתם (כולל סוגיות של ביטוי גנים ורגולציה), מחקרים על התפתחות מסתמים עובריים ותלויים בגיל (כולל גורמים אנגיוגניים ונוירוגניים), ידע מדויק על הביומכניקה של כל מסתם, זיהוי תאים מתאימים לזריעה ופיתוח מטריצות אופטימליות. פיתוח נוסף של מסתמי רקמה מתקדמים יותר ידרוש הבנה מעמיקה של הקשר בין המאפיינים המכניים והמבניים של מסתמים טבעיים לבין הגירויים (ביולוגיים ומכניים) לשחזור מאפיינים אלה במבחנה.

[ 12 ], [ 13 ], [ 14 ], [ 15 ]