Entwicklung einer mit autologen Endothelzellen besiedelten Herzklappe

Abstract

Hintergrundinformation: Alle derzeit verwendeten biologischen Herzklappen weisen bedeutende Einschränkungen auf, da sie abgetötete fixierte Strukturen ohne Regenerationspotential darstellen. Techniken des Tissue Engineering ermöglichen die Herstellung einer neuartigen Herzklappe, die mit autologen Endothelzellen beschichtet wird. Das Modell juveniles Schaf , wird im Bereich der Herz- und Gefäßchirurgie wegen der ausgeprägten Reaktion gegen jegliches fremde Implantat zur Erforschung der Biokompatibilität kardiovaskulärer Implantate am häufigsten eingesetzt. Methodik: Zunächst galt es eine geeignete vollkommen zellfreie Herzklappenmatrix zu entwickeln, bei der die Möglichkeit bestand, Zellen einzubringen und anwachsen zu lassen. Für die Züchtung autologer Endothelzellen wurden neugeborenen Schafen Venensegmente entnommen, die im Zellzuchtlabor isoliert, charakterisiert und expandiert wurden. Vor der Implantation wurde die Oberfläche der dezellularisierten Herzklappenmatrix mit Endothelzellen beschichtet. Die Explantation der Herzklappen fand nach 7 Tagen, 3 und 6 Monaten statt. Makroskopische Untersuchung, invasive Druckmessung, Röntgenuntersuchung, Atomabsorptionsspektrometrie, Lichtmikroskopie, Raster- elektronenmikroskopie, Transmissionselektronenmikroskopie und immunhistochemische Untersuchungen sollten Aufschlüsse über biologische Vorgänge in dieser Klappen geben. Bei Patienten, die im Rahmen einer sogenannten Ross-Operation diese neuartige Herzklappe erhielten, erfolgte bei Entlassung sowie nach 3, 6, 12, 24 und 36 Monaten echokardiographische und magnetresonanztomographische Untersuchungen. Nach einem Jahr wurde zusätzlich zum Nachweis evtl. Verkalkungen eine Computertomographie durchgeführt. Ergebnisse: Die Dezellularisierung des Klappengerüstes erfolgte gewebeschonend und ohne toxische Rückstände. Dies bot die Möglichkeit Zellen einwachsen zu lassen. Nach Implantation im Schaf zeigten diese Herzklappen nur eine minimale Umgebungsreaktion und auch nach 6 Monaten keinerlei Verkalkungen oder makroskopische Veränderungen. Die Druckdifferenzen über der Herzklappe betrugen nach 3 Monaten 1,5 ± 0,5 mmHg und nach 6 Monaten 1,5 ± 0,4 mmHg. Der Erhalt der Endothelzellschicht belegt die Sterilität und fehlende Toxizität der nach dieser Herstellungsmethode entwickelten neuartigen Klappe. Die histologischen Befunde zeigten eine Rezellularisierung des Klappenkörpers mit Empfängerzellen. Bei Patienten betrug die Flussgeschwindigkeit über der neuen Herzklappe 0,7 m/s bei Entlassung (Normalwert) ohne Zunahme im Verlauf von bis zu 3,5 Jahren. Bei keiner der Herzklappen konnten computertomographisch Verkalkungen nachgewiesen werden. Schlussfolgerungen: Diese neuartige Herzklappe zeigte im Tiermodell juveniles Schaf exzellente hämodynamische Eigenschaften ohne Hinweise für eine Degeneration oder Verkalkung auch nach langfristiger Implantation. Histologisch fand eine Rezellularisierung in allen Schichten des Klappengerüstes statt. Die ersten klinischen Ergebnisse zeigten bei einer Nachuntersuchungszeit von bis zu 3,5 Jahren hervorragende hämodynamische Befunde, die mit den im Tiermodell ermittelten Werten vergleichbar waren. Damit konnte gezeigt werden, dass diese neu entwickelte Herzklappe bisher verwendeten Implantaten deutlich überlegen ist.

Background: Regular commercial available bioprostheses are non-viable structures without remodeling and regeneration potential. Tissue engineering allows creating a viable heart valves with growth, remodeling and repair potential. The juvenile sheep is used to evaluate these new designed heart valves, as this model shows early structural deterioration after implantation. Method: The key stone of this viable heart valve is a complete decellularized matrix, which can be recellularized with autologous endothelial cells. In the juvenile sheep, a jugular vein was harvested to characterize and expand endothelial cells. A special developed bioreactor was used to seed endothelial cells in vitro. Explantation was performed at 7 days, 3 and 6 months. Valves were evaluated by gross examination, invasive pressure measurements, X-ray, atomic absorption spectrometry, light microscopy, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy and immunohistochemistry. The tissue engineered heart valve was used to reconstruct the right ventricular outflow tract during Ross procedure. Follow up was performed at 3,6 and 12 months and afterwards annually by clinical evaluation, transthoracic echocardiography and magnetic resonance imaging. Multi slice computed tomography was performed after 1 year to evaluate structural deterioration. Results: Decellularized matrices showed normal strength and absence of toxic residuals, which is essential for recellularization. In the juvenile sheep structural deterioration or calcification were absence. The pressure gradient at the valve was 1.5 ? 0.5 mm Hg and 1.5 ? 0.4 mm Hg at 3 and 6 months respectively. In vitro seeded endothelial cells resist shear stress as cells were still available after 7 days of implantation. Further histological examination visualized ingrowth of host cells into the different layers of the matrix. Clinical evaluation showed maximum life quality without restrictions. Transthoracic echocardiography recorded 0.7 m/s flow velocity at discharge. Up to 3.5 years of follow up there was no flow velocity increase seen, neither valve regurgitation, supported by magnetic resonance imaging. Multi-slice computed tomography showed absence of calcification. Conclusion: This tissue engineered heart valve shows excellent hemodynamic behavior without structural deterioration in the juvenile sheepmodel. Histological examination showed ingrowth of host cells in all layers. Clinical follow up showed similar excellent hemodynamic behavior without tissue deterioration.