صمامات القلب الاصطناعية

صمامات القلب الاصطناعية البيولوجية الحديثة المتاحة للاستخدام السريري، باستثناء الطعم الذاتي الرئوي، هي هياكل غير قابلة للحياة تفتقر إلى القدرة على النمو وإصلاح الأنسجة. وهذا يفرض قيودًا كبيرة على استخدامها، وخاصةً لدى الأطفال، لتصحيح أمراض الصمامات. وقد تطورت هندسة الأنسجة على مدى الخمسة عشر عامًا الماضية. ويهدف هذا التوجه العلمي إلى إنشاء هياكل، مثل صمامات القلب الاصطناعية، في ظروف اصطناعية، ذات سطح مقاوم للجلطات ونسيج بيني قابل للحياة.

[ 1 ]، [ 2 ]

كيف يتم تطوير صمامات القلب الاصطناعية؟

يعتمد المفهوم العلمي للهندسة النسيجية على فكرة تجميع ونمو الخلايا الحية (الخلايا الليفية، الخلايا الجذعية، الخ) في سقالة (مصفوفة) قابلة للامتصاص اصطناعية أو طبيعية، وهي عبارة عن بنية صمامية ثلاثية الأبعاد، بالإضافة إلى استخدام الإشارات التي تنظم التعبير الجيني وتنظيم وإنتاجية الخلايا المزروعة خلال فترة تكوين المصفوفة خارج الخلية.

تُدمج صمامات القلب الاصطناعية هذه مع أنسجة المريض للترميم النهائي والحفاظ على بنيتها ووظيفتها. في هذه الحالة، يُشكَّل إطار كولاجين-إيلاستين جديد، أو بالأحرى، مصفوفة خارج خلوية على المصفوفة الأصلية نتيجةً لوظائف الخلايا (الخلايا الليفية، والخلايا الليفية العضلية، إلخ). ونتيجةً لذلك، ينبغي أن تكون صمامات القلب الاصطناعية المثالية المُصنّعة بواسطة هندسة الأنسجة قريبةً من صمامات القلب الأصلية من حيث البنية التشريحية والوظيفة، وأن تتمتع أيضًا بقدرة تكيف بيوميكانيكية، والقدرة على الإصلاح والنمو.

تُطوّر هندسة الأنسجة صمامات قلب اصطناعية باستخدام مصادر متنوعة لجمع الخلايا. وبالتالي، يُمكن استخدام الخلايا الغريبة أو الخيفية، على الرغم من ارتباط الأولى بخطر نقل الأمراض الحيوانية المنشأ إلى البشر. من الممكن تقليل قابلية الجسم للاستجابة المناعية ومنع ردود الفعل الرفضية عن طريق التعديل الجيني للخلايا الخيفية. تتطلب هندسة الأنسجة مصدرًا موثوقًا للخلايا، وهو خلايا ذاتية المنشأ تُؤخذ مباشرةً من المريض ولا تُنتج ردود فعل مناعية أثناء إعادة الزرع. تُنتج صمامات قلب اصطناعية فعّالة بالاعتماد على خلايا ذاتية المنشأ مأخوذة من الأوعية الدموية (الشرايين والأوردة). وقد طُوّرت طريقة تعتمد على فرز الخلايا المُنشّط بالفلورسنت - FACS - للحصول على مزارع خلوية نقية. تُوسم مجموعة خلايا مختلطة مأخوذة من وعاء دموي بعلامة بروتين دهني منخفض الكثافة مُؤَسْتَل، تُمتصّ انتقائيًا على سطح الخلايا البطانية. يمكن بعد ذلك فصل الخلايا البطانية بسهولة عن معظم الخلايا المأخوذة من الأوعية الدموية، والتي ستكون مزيجًا من خلايا العضلات الملساء، والأرومات الليفية العضلية، والأرومات الليفية. يؤثر مصدر الخلايا، سواءً كان شريانًا أم وريدًا، على خصائص التركيب النهائي. لذا، تتفوق صمامات القلب الاصطناعية المزودة بمصفوفة مملوءة بالخلايا الوريدية في تكوين الكولاجين والاستقرار الميكانيكي مقارنةً بالتركيبات المملوءة بالخلايا الشريانية. ويبدو أن اختيار الأوردة الطرفية هو مصدر أكثر ملاءمة لجمع الخلايا.

يمكن أيضًا استخلاص الخلايا الليفية العضلية من الشرايين السباتية. مع ذلك، تتميز الخلايا المشتقة من الأوعية الدموية بخصائص مختلفة تمامًا عن الخلايا الخلالية الطبيعية. يمكن استخدام خلايا الحبل السري الذاتية كمصدر بديل للخلايا.

صمامات القلب الاصطناعية المعتمدة على الخلايا الجذعية

في السنوات الأخيرة، سهّلت أبحاث الخلايا الجذعية التقدم في هندسة الأنسجة. ولاستخدام الخلايا الجذعية من نخاع العظم الأحمر مزاياه. فعلى وجه الخصوص، تُمكّن بساطة جمع المواد الحيوية وزراعتها في المختبر، مع التمايز اللاحق إلى أنواع مختلفة من الخلايا المتوسطة، من تجنب استخدام الأوعية الدموية السليمة. وتُعدّ الخلايا الجذعية مصادر متعددة القدرات لسلالات الخلايا، وتتميز بخصائص مناعية فريدة تُسهم في استقرارها في الظروف المتماثلة.

تُحصَل الخلايا الجذعية من نخاع العظم الأحمر البشري عن طريق وخز القص أو وخز العرف الحرقفي. تُعزل هذه الخلايا من 10-15 مل من عينة القص، وتُفصل عن الخلايا الأخرى وتُزرع. عند الوصول إلى العدد المطلوب من الخلايا (عادةً خلال 21-28 يومًا)، تُزرع (تُستَعمَر) على مصفوفات وتُزرع في وسط مُغذٍّ في وضع ثابت (لمدة 7 أيام في حاضنة مُرطَّبة عند درجة حرارة 37 درجة مئوية في وجود 5% من ثاني أكسيد الكربون). بعد ذلك، يُحفَّز نمو الخلايا من خلال الوسط الكأسي (محفزات بيولوجية) أو عن طريق تهيئة ظروف فسيولوجية لنمو الأنسجة أثناء تشوهها متساوي القياس في جهاز تكاثر ذي تدفق نابض - مفاعل حيوي (محفزات ميكانيكية). الخلايا الليفية حساسة للمحفزات الميكانيكية التي تُعزِّز نموها ونشاطها الوظيفي. يُسبب التدفق النابض زيادةً في التشوهات الشعاعية والمحيطية، مما يؤدي إلى اتجاه (استطالة) الخلايا المأهولة في اتجاه هذه الضغوط. وهذا بدوره يؤدي إلى تكوين هياكل ليفية موجهة للصمامات. يُسبب التدفق الثابت ضغوطًا مماسية فقط على الجدران. للتدفق النابض تأثير إيجابي على مورفولوجيا الخلايا وتكاثرها وتركيب المصفوفة خارج الخلية. كما تؤثر طبيعة تدفق الوسط المغذي، والظروف الفيزيائية والكيميائية (الرقم الهيدروجيني، وضغط الأكسجين، وضغط ثاني أكسيد الكربون) في المفاعل الحيوي بشكل كبير على إنتاج الكولاجين. وبالتالي، يزيد التدفق الصفحي والتيارات الدوامية الدورية من إنتاج الكولاجين، مما يؤدي إلى تحسين الخواص الميكانيكية.

هناك نهج آخر لتنمية هياكل الأنسجة يتمثل في خلق ظروف جنينية في مفاعل حيوي بدلاً من محاكاة الظروف الفسيولوجية لجسم الإنسان. تتميز الصمامات الحيوية النسيجية المزروعة على أساس الخلايا الجذعية بقلابات متحركة ومرنة، قادرة على العمل تحت تأثير ضغط وتدفق عالٍ يتجاوزان المستوى الفسيولوجي. أظهرت الدراسات النسيجية والكيميائية النسيجية للقلابات في هذه الهياكل وجود عمليات نشطة للتدمير الحيوي للمصفوفة واستبدالها بأنسجة قابلة للحياة. يُنظم النسيج وفقًا للنوع الطبقي، مع خصائص بروتينات المصفوفة خارج الخلية المشابهة لتلك الموجودة في الأنسجة الطبيعية، ووجود نوعي الكولاجين الأول والثالث، والجليكوز أمينوغليكان. ومع ذلك، لم يتم الحصول على البنية النموذجية ثلاثية الطبقات للقلابات - الطبقات البطينية والإسفنجية والليفية. أظهرت الخلايا الإيجابية لـ ASMA المعبرة عن الفيمنتين الموجودة في جميع الأجزاء خصائص مشابهة لخصائص الخلايا الليفية العضلية. كشف المجهر الإلكتروني عن عناصر خلوية ذات خصائص مميزة للخلايا الليفية العضلية النشطة الإفرازية (خيوط الأكتين / الميوسين، خيوط الكولاجين، الإيلاستين)، والخلايا البطانية على سطح الأنسجة.

تم الكشف عن أنواع الكولاجين I وIII وASMA وvimentin على الوريقات. وكانت الخصائص الميكانيكية لوريقات الأنسجة والهياكل الطبيعية متشابهة. أظهرت صمامات القلب الاصطناعية النسيجية أداءً ممتازًا على مدار 20 أسبوعًا، وتشابهت مع الهياكل التشريحية الطبيعية في بنيتها الدقيقة وتركيبها الكيميائي الحيوي وتكوين مصفوفة البروتين.

زُرعت جميع صمامات القلب الاصطناعية المُستخرَجة بتقنية هندسة الأنسجة في الحيوانات في وضعية الرئة، نظرًا لعدم توافق خصائصها الميكانيكية مع الأحمال في وضعية الأبهر. صمامات الأنسجة المزروعة من الحيوانات قريبة في بنيتها من الصمامات الطبيعية، مما يشير إلى مزيد من التطور وإعادة الهيكلة في الجسم الحي. وستُظهر دراسات أخرى ما إذا كانت عملية إعادة هيكلة الأنسجة ونضجها ستستمر في ظل الظروف الفسيولوجية بعد زراعة صمامات القلب الاصطناعية، كما لوحظ في التجارب على الحيوانات.

يجب أن تتمتع صمامات القلب الاصطناعية المثالية بمسامية لا تقل عن 90%، لأن هذه المسامية ضرورية لنمو الخلايا، وتوصيل العناصر الغذائية، وإزالة نواتج الأيض الخلوية. بالإضافة إلى التوافق الحيوي والتحلل البيولوجي، يجب أن تتمتع صمامات القلب الاصطناعية بسطح كيميائي مناسب لتكاثر الخلايا، وأن تتوافق مع الخصائص الميكانيكية للأنسجة الطبيعية. يجب أن يكون مستوى التحلل البيولوجي للمصفوفة قابلاً للتحكم ومتناسبًا مع مستوى تكوين الأنسجة الجديدة لضمان الاستقرار الميكانيكي بمرور الوقت.

يجري حاليًا تطوير مصفوفات اصطناعية وبيولوجية. أكثر المواد البيولوجية شيوعًا لإنشاء المصفوفات هي الهياكل التشريحية للمتبرع، والكولاجين، والفيبرين. يُصمم صمامات القلب الاصطناعية البوليمرية بحيث تتحلل بيولوجيًا بعد الزراعة، بمجرد أن تبدأ الخلايا المزروعة في إنتاج وتنظيم شبكة المصفوفة خارج الخلية الخاصة بها. يمكن تنظيم أو تحفيز تكوين أنسجة المصفوفة الجديدة بواسطة عوامل النمو، أو السيتوكينات، أو الهرمونات.

[ 3 ]، [ 4 ]، [ 5 ]، [ 6 ]

صمامات القلب الاصطناعية للمتبرعين

يمكن استخدام صمامات القلب الاصطناعية المتبرع بها من البشر أو الحيوانات، والمُفرغة من المستضدات الخلوية عن طريق نزع الخلايا لتقليل مناعتها، كمصفوفات. تُشكل البروتينات المحفوظة من المصفوفة خارج الخلية أساس الالتصاق اللاحق للخلايا المزروعة. تتوفر الطرق التالية لإزالة العناصر الخلوية (نزع الخلايا): التجميد، والمعالجة بالتربسين/EDTA، والمنظفات - كبريتات دوديسيل الصوديوم، وديوكسيكولات الصوديوم، وتريتون إكس-100، وميجا 10، وTnBR CHAPS، وتوين 20، بالإضافة إلى طرق المعالجة الأنزيمية متعددة المراحل. في هذه الحالة، تُزال الأغشية الخلوية، والأحماض النووية، والدهون، والهياكل السيتوبلازمية، وجزيئات المصفوفة القابلة للذوبان مع الحفاظ على الكولاجين والإيلاستين. ومع ذلك، لم يتم التوصل إلى طريقة مثالية بعد. فقط كبريتات دوديسيل الصوديوم (0.03-1%) أو ديوكسيكولات الصوديوم (0.5-2%) أدت إلى إزالة الخلايا بالكامل بعد 24 ساعة من المعالجة.

أظهر الفحص النسيجي للصمامات الحيوية منزوعة الخلايا (الطعوم الخيفية والطعوم الغريبة) المُستأصلة في تجربة على الحيوانات (كلب وخنزير) نموًا جزئيًا للبطانة الغشائية ونموًا للخلايا الليفية العضلية المُستقبِلة في القاعدة، دون أي علامات تكلس. ولوحظ تسلل التهابي متوسط. ومع ذلك، حدث فشل مبكر خلال التجارب السريرية لصمام SynerGraftTM منزوع الخلايا. وكُشف عن رد فعل التهابي واضح في مصفوفة الدعامة الحيوية، والذي كان في البداية غير محدد ومصحوبًا بتفاعل لمفي. وتطور خلل وظيفي وتنكس في الدعامة الحيوية على مدار عام. ولم يُلاحظ أي استعمار خلوي للمصفوفة، ولكن كُشف عن تكلس في الصمامات وبقايا خلايا ما قبل الزرع.

شكّلت مصفوفات خالية من الخلايا، مزروعة بخلايا بطانية، ومزروعة في المختبر وفي الجسم الحي، طبقة متماسكة على سطح الصمامات، وأظهرت الخلايا الخلالية المزروعة من البنية الأصلية قدرتها على التمايز. مع ذلك، لم يكن من الممكن تحقيق المستوى الفسيولوجي المطلوب لاستعمار الخلايا على المصفوفة في ظل الظروف الديناميكية للمفاعل الحيوي، وصاحبت صمامات القلب الاصطناعية المزروعة سماكة سريعة نسبيًا (ثلاثة أشهر) نتيجةً لتسارع تكاثر الخلايا وتكوين مصفوفة خارج الخلية. لذلك، في هذه المرحلة، يواجه استخدام مصفوفات خالية من الخلايا المانحة لاستعمارها بالخلايا عددًا من المشكلات التي لم تُحل بعد، بما في ذلك مشكلات مناعية ومعدية؛ ويستمر العمل على الأطراف الاصطناعية الحيوية منزوعة الخلايا.

تجدر الإشارة إلى أن الكولاجين يُعدّ أيضًا من المواد البيولوجية المُحتملة لإنتاج مواد قابلة للتحلل البيولوجي. يُمكن استخدامه على شكل رغوة، أو جل، أو ألواح، أو إسفنج، أو كخامة ألياف. ومع ذلك، يرتبط استخدام الكولاجين بعدد من الصعوبات التكنولوجية، لا سيما صعوبة الحصول عليه من المريض. لذلك، تُعدّ معظم مواد الكولاجين حاليًا من أصل حيواني. قد يُؤدي التحلل البيولوجي البطيء للكولاجين الحيواني إلى زيادة خطر الإصابة بالأمراض الحيوانية المنشأ، والتسبب في تفاعلات مناعية والتهابية.

الفيبرين مادة بيولوجية أخرى تتميز بخصائص تحلل بيولوجي مُتحكم بها. ونظرًا لإمكانية تصنيع جل الفيبرين من دم المريض لإنتاج مصفوفة ذاتية لاحقًا، فإن زرع مثل هذه التركيبة لن يُسبب تحللًا سامًا أو تفاعلًا التهابيًا. ومع ذلك، للفيبرين عيوبٌ مثل الانتشار والتسرب إلى البيئة وانخفاض خصائصه الميكانيكية.

[ 7 ]، [ 8 ]، [ 9 ]، [ 10 ]، [ 11 ]

صمامات القلب الاصطناعية المصنوعة من مواد تركيبية

تُصنع صمامات القلب الاصطناعية أيضًا من مواد تركيبية. وقد بُذلت محاولات عديدة لتصنيع مصفوفات الصمامات باستخدام بولي جلاكتين، وحمض بولي جليكوليك (PGA)، وحمض بولي لاكتيك (PLA)، وبولي جلاكتين وكوبوليمر PLA (PLGA)، وبولي هيدروكسي ألكانوات (PHA). ويمكن الحصول على مادة تركيبية عالية المسامية من ألياف مضفرة أو غير مضفرة، وباستخدام تقنية الاستخلاص بالملح. وتُصنع مادة مركبة واعدة (PGA/P4HB) لتصنيع المصفوفات من حلقات غير مضفرة من حمض بولي جليكوليك (PGA) مغلفة ببولي-4-هيدروكسي بيوتيرات (P4HB). وتُعقم صمامات القلب الاصطناعية المصنوعة من هذه المادة بأكسيد الإيثيلين. ومع ذلك، فإن الصلابة الأولية الكبيرة وسمك حلقات هذه البوليمرات، وتحللها السريع وغير المنضبط، المصحوب بإطلاق نواتج حمضية سامة للخلايا، تتطلب المزيد من البحث والبحث عن مواد أخرى.

إن استخدام ألواح زراعة أنسجة الخلايا الليفية العضلية الذاتية، المزروعة على سقالة، لتشكيل مصفوفات داعمة عن طريق تحفيز إنتاج هذه الخلايا، أتاح الحصول على عينات صمامات تحتوي على خلايا نشطة وقابلة للحياة محاطة بمصفوفة خارج خلوية. ومع ذلك، لا تزال الخصائص الميكانيكية لأنسجة هذه الصمامات غير كافية لزراعتها.

قد لا يتحقق المستوى المطلوب من تكاثر وتجديد أنسجة الصمام المُنشأ بدمج الخلايا والمصفوفة فقط. يمكن تنظيم أو تحفيز التعبير الجيني للخلايا وتكوين الأنسجة بإضافة عوامل نمو، أو سايتوكينات، أو هرمونات، أو عوامل انقسامية، أو عوامل التصاق إلى المصفوفات والهياكل. وتجري حاليًا دراسة إمكانية إدخال هذه المنظمات في المواد الحيوية للمصفوفة. بشكل عام، هناك نقص كبير في الأبحاث المتعلقة بتنظيم تكوين صمام الأنسجة من خلال المحفزات الكيميائية الحيوية.

يتكون رئة الخنزير الاصطناعية اللاخلوية Matrix P من نسيج منزوع الخلايا، معالج بطريقة خاصة حاصلة على براءة اختراع من شركة AutoTissue GmbH، تتضمن معالجة بالمضادات الحيوية، وديوكسي كولات الصوديوم، والكحول. هذه الطريقة المعتمدة من المنظمة الدولية للمعايير تقضي على جميع الخلايا الحية والهياكل ما بعد الخلوية (الخلايا الليفية، والخلايا البطانية، والبكتيريا، والفيروسات، والفطريات، والميكوبلازما)، وتحافظ على بنية المصفوفة خارج الخلوية، وتقلل من مستوى الحمض النووي الريبوزي DNA والحمض النووي الريبوزي RNA في الأنسجة إلى أدنى حد، مما يقلل من احتمالية انتقال الفيروس الرجعي الداخلي الخنزيري (PERV) إلى البشر. يتكون رئة الخنزير الاصطناعية Matrix P حصريًا من الكولاجين والإيلاستين مع الحفاظ على التكامل الهيكلي.

في التجارب التي أُجريت على الأغنام، سُجِّلت استجابة طفيفة من الأنسجة المحيطة بعد 11 شهرًا من زراعة الدعامة الحيوية Matrix P، مع معدلات بقاء جيدة، وهو ما تجلى بوضوح في السطح الداخلي اللامع لغشاء القلب. وكانت ردود الفعل الالتهابية، وسماكة وقصر وريقات الصمامات شبه غائبة. كما سُجِّلت مستويات منخفضة من الكالسيوم في أنسجة الدعامة الحيوية Matrix P، وكان الفرق ذا دلالة إحصائية مقارنةً بتلك المعالجة بالغلوتارالدهيد.

يتكيف صمام القلب الاصطناعي Matrix P مع حالة المريض الفردية خلال بضعة أشهر من زراعته. وقد كشف الفحص في نهاية فترة المراقبة عن سلامة المصفوفة خارج الخلوية وبطانة غشائية متجمعة. وقد أظهر زرع Matrix R، الذي زُرع لدى 50 مريضًا يعانون من عيوب خلقية خلال عملية روس بين عامي 2002 و2004، أداءً متفوقًا وانخفاضًا في تدرجات الضغط عبر الصمام مقارنةً بزرع SynerGraftMT المحفوظ بالتبريد والمُنزوع الخلايا، والزرعات الحيوية الاصطناعية بدون سقالة المعالجة بالغلوتارالدهيد. صُممت صمامات القلب الاصطناعية Matrix P لاستبدال الصمام الرئوي أثناء إعادة بناء مجرى تدفق الدم من البطين الأيمن في جراحات العيوب الخلقية والمكتسبة، وأثناء استبدال الصمام الرئوي خلال عملية روس. تتوفر بأربعة أحجام (حسب القطر الداخلي): للمواليد الجدد (15-17 ملم)، وللأطفال (18-21 ملم)، وللمتوسطين (22-24 ملم)، وللبالغين (25-28 ملم).

يعتمد التقدم في تطوير الصمامات المُهندَسة نسيجيًا على التطورات في بيولوجيا خلايا الصمامات (بما في ذلك قضايا التعبير الجيني والتنظيم)، ودراسات تطور الصمامات الجنيني والمرتبط بالعمر (بما في ذلك العوامل المُولِّدة للأوعية الدموية والعوامل العصبية)، والمعرفة الدقيقة بالميكانيكا الحيوية لكل صمام، وتحديد الخلايا المناسبة للزرع، وتطوير المصفوفات المثلى. يتطلب تطوير صمامات أنسجة أكثر تطورًا فهمًا شاملًا للعلاقة بين الخصائص الميكانيكية والبنيوية للصمامات الأصلية والمحفزات (البيولوجية والميكانيكية) لإعادة إنتاج هذه الخصائص في المختبر.

[ 12 ]، [ 13 ]، [ 14 ]، [ 15 ]