Искусственный сердечный клапан — это односторонний клапан, имплантируемый в сердце человека для замены сердечного клапана , который функционирует неправильно ( клапанный порок сердца ). Искусственные сердечные клапаны можно разделить на три больших класса: механические сердечные клапаны, биопротезные тканевые клапаны и инженерные тканевые клапаны.
Человеческое сердце содержит четыре клапана: трехстворчатый клапан , легочный клапан , митральный клапан и аортальный клапан . Их главная цель — поддерживать ток крови в правильном направлении через сердце и из сердца в основные кровеносные сосуды, соединенные с ним ( легочную артерию и аорту ). Сердечные клапаны могут работать со сбоями по разным причинам, что может препятствовать току крови через клапан ( стеноз ) и/или позволить крови течь обратно через клапан ( регургитация ). Оба процесса оказывают нагрузку на сердце и могут привести к серьезным проблемам, включая сердечную недостаточность . В то время как некоторые дисфункциональные клапаны можно лечить с помощью лекарств или ремонтировать, другие необходимо заменить искусственным клапаном. [2]
Сердце содержит четыре клапана (трехстворчатый, легочный, митральный и аортальный клапаны), которые открываются и закрываются, когда кровь проходит через сердце. [3] Кровь поступает в сердце через правое предсердие и проходит через трехстворчатый клапан в правый желудочек. Оттуда кровь перекачивается через легочный клапан , чтобы попасть в легкие. После насыщения кислородом кровь переходит 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 сердечного клапана, таких как врожденные дефекты, возрастные изменения и последствия других расстройств, таких как ревматизм и инфекции, вызывающие эндокардит . Высокое кровяное давление и сердечная недостаточность, которые могут увеличить сердце и артерии, а также рубцовая ткань может образоваться после сердечного приступа или травмы. [4]
Три основных типа искусственных клапанов сердца — механические, биологические (биопротезные/тканевые) и тканеинженерные клапаны. В США, Великобритании и Европейском союзе наиболее распространенным типом искусственного клапана сердца является биопротезный клапан. Механические клапаны чаще используются в Азии и Латинской Америке. [ необходима цитата ] Компании, которые производят сердечные клапаны, включают Edwards Lifesciences, [5] Medtronic, [6] Abbott (St. Jude Medical), [7] CryoLife, [8] и LifeNet Health. [9]
Механические клапаны бывают трех основных типов — шаровые клапаны с клеткой, наклонно-дисковые и двустворчатые — с различными модификациями этих конструкций. [10] Шаровые клапаны с клеткой больше не имплантируются. [11] Двустворчатые клапаны являются наиболее распространенным типом механических клапанов, имплантируемых пациентам сегодня. [12]
Первым искусственным клапаном сердца был шаровой клапан с клеткой, тип шарового обратного клапана , в котором шарик находится внутри клетки. Когда сердце сокращается и давление крови в камере сердца превышает давление снаружи камеры, шарик прижимается к клетке и позволяет крови течь. Когда сердце перестает сокращаться, давление внутри камеры падает, и шарик возвращается к основанию клапана, образуя уплотнение.
В 1952 году Чарльз А. Хафнагель имплантировал шаровые клапаны сердца десяти пациентам (шестеро из которых пережили операцию), что стало первым успехом в области протезирования сердечных клапанов. [ требуется ссылка ] Похожий клапан был изобретен Майлзом «Лоуэллом» Эдвардсом и Альбертом Старром в 1960 году, обычно его называют силастиковым шаровым клапаном Старра-Эдвардса. [13] Он состоял из силиконового шарика, заключенного в клетку из метилметакрилата , приваренную к кольцу. Клапан Старра-Эдвардса был впервые имплантирован человеку 25 августа 1960 года и был снят с производства Edwards Lifesciences в 2007 году. [13]
Шаровые клапаны с клеткой тесно связаны с образованием тромбов, поэтому людям, у которых они есть, требуется высокая степень антикоагуляции , обычно с целевым МНО 3,0–4,5. [14]
Представленный в 1969 году, первый клинически доступный наклонный дисковый клапан был клапаном Бьорка-Шили . [15] Наклонные дисковые клапаны, тип поворотного обратного клапана , сделаны из металлического кольца, покрытого тканью ePTFE . Металлическое кольцо удерживает с помощью двух металлических опор диск, который открывается, когда сердце бьется, чтобы пропустить кровь, а затем снова закрывается, чтобы предотвратить обратный ток крови. Диск обычно изготавливается из чрезвычайно твердого углеродного материала ( пиролитического углерода ), что позволяет клапану работать годами без износа. [ необходима цитата ]
Представленные в 1979 году двустворчатые клапаны состоят из двух полукруглых створок, которые вращаются вокруг стоек, прикрепленных к корпусу клапана. Имея большее отверстие, чем шаровые или наклонно-дисковые клапаны, они несут меньший риск образования тромбов. Однако они уязвимы для обратного тока крови. [ необходима цитата ]
Главным преимуществом механических клапанов перед биопротезными клапанами является их большая долговечность. [16] Изготовленные из металла и/или пиролитического углерода , [10] они могут прослужить 20–30 лет. [16]
Одним из основных недостатков механических клапанов сердца является то, что они связаны с повышенным риском образования тромбов . Сгустки, образующиеся при повреждении эритроцитов и тромбоцитов, могут закупоривать кровеносные сосуды, что приводит к инсульту . Людям с механическими клапанами необходимо принимать антикоагулянты (препараты для разжижения крови), такие как варфарин , до конца жизни. [16] Механические клапаны сердца также могут вызывать механическую гемолитическую анемию — состояние, при котором эритроциты повреждаются при прохождении через клапан. [ необходима ссылка ] Кавитация , быстрое образование микропузырьков в жидкости, такой как кровь, из-за локального падения давления, может привести к отказу механического клапана сердца, [17] поэтому испытание на кавитацию является неотъемлемой частью процесса проверки конструкции клапана.
Многие осложнения, связанные с механическими клапанами сердца, можно объяснить с помощью механики жидкости . Например, образование тромбов является побочным эффектом высоких напряжений сдвига , создаваемых конструкцией клапанов. С инженерной точки зрения идеальный клапан сердца должен создавать минимальные перепады давления, иметь небольшие объемы регургитации, минимизировать турбулентность, уменьшать распространенность высоких напряжений и не создавать разделения потока вблизи клапана. [ необходима цитата ]
Имплантированные механические клапаны могут вызвать отторжение инородного тела. Кровь может свернуться и в конечном итоге привести к гемостазу. Использование антикоагулянтов будет бесконечным для предотвращения тромбоза. [18] [ необходим неосновной источник ]
Биопротезные клапаны обычно изготавливаются из тканей животных (гетеротрансплантат/ ксенотрансплантат ), прикрепленных к металлической или полимерной опоре. [11] Чаще всего используется бычья (коровья) ткань, но некоторые изготавливаются из свиной (свиной) ткани. [19] [ необходим непервичный источник ] Ткань обрабатывается для предотвращения отторжения и кальцификации . [ необходима ссылка ]
Иногда используются альтернативы клапанам из тканей животных, когда клапаны используются от доноров-людей, как в аортальных гомографтах и легочных аутографтах . Аортальный гомографт — это аортальный клапан от донора-человека, извлеченный либо после его смерти, либо из сердца, которое удаляется для замены во время пересадки сердца. [12] Легочный аутографт, также известный как процедура Росса , заключается в том, что аортальный клапан удаляется и заменяется собственным легочным клапаном пациента (клапан между правым желудочком и легочной артерией). Затем легочный гомографт (легочный клапан, взятый у трупа) используется для замены собственного легочного клапана пациента. Эта процедура была впервые проведена в 1967 году и используется в основном у детей, так как она позволяет собственному легочному клапану пациента (теперь в аортальном положении) расти вместе с ребенком. [12]
Биопротезные клапаны менее склонны, чем механические клапаны, вызывать тромбы, поэтому не требуют пожизненной антикоагуляции. В результате люди с биопротезными клапанами имеют меньший риск кровотечения, чем люди с механическими клапанами. [16]
Тканевые клапаны менее долговечны, чем механические клапаны, и обычно служат 10–20 лет. [20] Это означает, что у людей с биопротезными клапанами чаще возникает необходимость в повторной замене аортального клапана в течение жизни. [16] Биопротезные клапаны, как правило, быстрее изнашиваются у молодых пациентов. [21]
В последние годы ученые разработали новую технологию сохранения тканей с целью повышения долговечности биопротезных клапанов. В исследованиях на овцах и кроликах ткань, сохраненная с использованием этой новой технологии, имела меньшую кальцификацию , чем контрольная ткань. [22] Клапан, содержащий эту ткань, в настоящее время продается, но данные о долгосрочной долговечности у пациентов пока отсутствуют. [23] [ требуется неосновной источник ]
Современные биопротезные клапаны не долговечны и со временем кальцифицируются. [24] Когда клапан кальцифицируется, створки клапана становятся жесткими и толстыми и не могут полностью закрыться. [24] Более того, биопротезные клапаны не могут расти вместе с пациентом или адаптироваться к нему: если у ребенка есть биопротезные клапаны, ему придется заменять клапаны несколько раз, чтобы они соответствовали его физическому росту. [24]
Более 30 лет исследователи пытались вырастить сердечные клапаны in vitro . [25] Эти клапаны, созданные с помощью тканевой инженерии, подразумевают посев человеческих клеток на каркас. [25] Два основных типа каркасов — это естественные каркасы, такие как децеллюляризованная ткань, или каркасы, изготовленные из разлагаемых полимеров. [26] Каркас действует как внеклеточный матрикс , направляя рост ткани в правильную трехмерную структуру сердечного клапана. [26] [25] Некоторые клапаны, созданные с помощью тканевой инженерии, были испытаны в клинических испытаниях, [26] но ни один из них не доступен для коммерческого использования.
Клапаны сердца, созданные с помощью тканевой инженерии, могут быть индивидуальными и 3D-моделироваться для соответствия индивидуальному реципиенту [27] 3D-печать используется из-за ее высокой точности и аккуратности при работе с различными биоматериалами. [27] Ожидается, что клетки, которые используются для клапанов сердца, созданных с помощью тканевой инженерии, будут секретировать внеклеточный матрикс (ВКМ). [24] Внеклеточный матрикс обеспечивает поддержку формы клапанов и определяет активность клеток. [28]
Ученые могут проследить структуру сердечных клапанов, чтобы создать что-то похожее на них, но поскольку клапаны, созданные с помощью тканевой инженерии, лишены естественной клеточной основы, они либо не выполняют свои функции, как естественные сердечные клапаны, либо функционируют, будучи имплантированными, но постепенно разрушаются с течением времени. [ необходима цитата ] Идеальный клапан, созданный с помощью тканевой инженерии, должен быть нетромбогенным, биосовместимым, прочным, устойчивым к кальцификации, расти вместе с окружающим сердцем и демонстрировать физиологический гемодинамический профиль. [29] Для достижения этих целей следует тщательно выбирать каркас — есть три основных кандидата: децеллюляризованный ВКМ (ксенотрансплантаты или гомотрансплантаты), природные полимеры и синтетические полимеры. [29]
Механические и тканевые клапаны изготавливаются из разных материалов. Механические клапаны обычно изготавливаются из титана и углерода. [30] Тканевые клапаны изготавливаются из тканей человека или животных. Клапаны, состоящие из тканей человека, известные как аллотрансплантаты или гомотрансплантаты, изготавливаются из человеческих сердец доноров. [30]
Механические клапаны могут быть лучшим выбором для молодых людей и людей с риском ухудшения работы клапана из-за их долговечности. Они также предпочтительны для людей, которые уже принимают препараты для разжижения крови, и людей, которые вряд ли перенесут еще одну операцию по замене клапана. [ необходима цитата ]
Тканевые клапаны лучше подходят для пожилых возрастных групп, поскольку еще одна операция по замене клапана может не потребоваться в течение жизни. Из-за риска образования тромбов для механических клапанов и сильного кровотечения как основного побочного эффекта приема кроверазжижающих препаратов, люди, которые подвержены риску кровотечения и не желают принимать варфарин, также могут рассмотреть тканевые клапаны. Другие пациенты, которым больше подходят тканевые клапаны, — это люди, у которых запланированы другие операции и которые не могут принимать кроверазжижающие препараты. Люди, которые планируют забеременеть, также могут рассмотреть тканевые клапаны, поскольку варфарин вызывает риски во время беременности. [ необходима цитата ]
Искусственный сердечный клапан в идеале должен функционировать как естественный сердечный клапан. [11] Функционирование естественных сердечных клапанов характеризуется многими преимуществами:
Эффективность работы искусственного сердечного клапана можно проверить in vitro перед клиническим использованием с помощью импульсного дубликатора . [32]
Ожидается, что искусственные сердечные клапаны прослужат от 10 до 30 лет. [16]
Наиболее распространенными проблемами с искусственными клапанами сердца являются различные формы дегенерации, включая сильное вздутие створок, ишемическую патологию митрального клапана и незначительное удлинение хорд. [24] Процесс восстановления регургитации и стеноза искусственного клапана сердца обычно требует операции на открытом сердце, и обычно предпочтительным является восстановление или частичная замена регургитирующих клапанов. [24]
Исследователи изучают хирургию с использованием катетера, которая позволяет восстанавливать искусственный сердечный клапан без больших разрезов. [33]
Исследователи изучают сменный протез сердечного клапана, который позволяет повторно и быстро ремонтировать искусственный сердечный клапан. [34]
{{cite book}}: |work=проигнорировано ( помощь ){{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )