Untersuchungen zu Immunogenität, Struktur, mechanischen Belastbarkeit und Biokompatibilität von dezellularisierten Herzklappengeweben

Abstract

Einleitung: Konventionelle biologische Herzklappengewebe werden zum Schutz vor Degenera-tion und zur Reduktion ihres immunologischen Potentials mit Glutaraldehyd (GA) fixiert. Eine Alternative zur Reduktion der Immunantwort biologischer Herzklappen stellt die Dezellularisie-rung dar. Hierbei werden alle Zellen und zellulären Bestandteile aus den Geweben entfernt bis nur noch die Extrazelluläre Matrix (EZM) vorhanden ist. Dezellularisieren ist allerdings immer noch umstritten, gerade in Bezug auf die Reduktion des immunologischen Potentials und dem Schutz vor Degeneration der zellfreien Gewebe. Deshalb wurden in dieser Arbeit unterschiedlich behandelte Herzklappengewebe auf ihre Eignung untersucht. Methodik: Zur Bestimmung immunologischer Reaktionen gegen xenogenes Herzklappengewe-be wurde Patienten Serum vor, bis zu einer Woche nach und 9 bis 12 Monate nach der Implanta-tion einer biologischen Herzklappe entnommen und auf EZM Antikörper untersucht. Für diese Untersuchung wurde ein auf der ELISA-Technik basierendes Nachweisverfahren etabliert, mit dem Antikörper gegen Kollagen Typ-I und α-Gal im Serum nachgewiesen werden können. Am Beispiel der porcinen Aortenklappe wurde die Integrität und Konservierung der EZM dezellula-risierter Gewebe untersucht, da sie aufgrund ihrer stärkeren Gefäßwand längere Inkubationszei- ten zum Dezellularisieren erfordern als z.B. Pulmonalklappen. Die Untersuchungen wurden mit Transmissionselektronen- und Lichtmikroskopie und einem biochemischen Farbnachweis durchgeführt. Für die Untersuchung von dezellularisiertem Perikard wurde es in die Aorta descendens von juvenilen Schafen implantiert und nach 4 Monaten explantiert und untersucht. Ergebnisse: Bei Patienten mit einer xenogenen Herzklappe konnte bis zu einem Jahr nach der Implantation kein Anstieg der Antikörper gegen Kollagen Typ-I nachgewiesen werden. Jedoch zeigte sich bei Patienten mit GA-fixierten porcinen Herzklappen eine Erhöhung der Anti-α-Gal Antikörper. Dies war bei dezellularisierten Klappen nicht zu beobachten. Bei den Aortenklappen waren selbst nach den langen DOA-Behandlungszeiten von 48 Stunden keine Schädigungen oder Veränderungen der EZM zu erkennen. Dieses Ergebnis deckt sich mit den Untersuchungen des dezellularisierten Perikards, das sowohl vor als auch nach der Implantation keine Beeinträch-tigungen zeigte und den Bedingungen im systemischen Blutkreislauf standgehalten hatte. Schlussfolgerung: Es konnte gezeigt werden, dass es nach Implantation der zellfreien Matrizes zu keinem Anstieg der Antikörper gegen Bestandteile der EZM kam. Vielmehr wurden die wich-tigsten Bestandteile der EZM, wie Glykosaminoglykane (GAG) und Proteoglykane (PG), nach Dezellularisierung im Gewebe erhalten. Außerdem wurde im Schaf bewiesen, dass Perikard de-zellularisiert werden kann und trotzdem seine guten mechanischen Eigenschaften behält, nicht degradiert und daher den Belastungen im systemischen Blutkreislauf standhalten kann.

Introduction: Conventional biological heart valves are treated with GA to prevent degeneration and to reduce their immunological potential. An alternative is decellularization, where all cells and cellular debris are removed from the scaffold, so that solely the extracellular matrix (ECM) remains. However decellularization of tissues is still a matter of debate, especially in terms of their immunological potential and degradation of the cell-free tissue. For this reason several bio-logical tissues have been investigated concerning their suitability as heart valve tissue. Methods: For the determination of immunological reactions elicited by the xenogenic tissues, serum samples from patients have been taken before, one week after and 9 to 12 month follow-ing implantation of a biological heart valve and investigated for ECM antibodies. Therefore we have established assays using the ELISA technique to quantify anti collagen type-I and α-Gal antibodies in the serum. Aortic vales have been investigated to proof integrity and conservation of the ECM after decellularization. They need an intense decellularization protocol compared to i.e. pulmonary heart valves, due to the thickness of their vessel wall. These investigations were done using electron-, light microscopy and a biochemical colorimetric assay. For the examina-tion of decellularized pericardium, the pericardium has been implanted into the aorta descendens of juvenile sheep and explanted after four month. It has been inspected macroscopically and mi-croscopically for changes of the ECM. Results: The study patients with a xenogenic heart valve showed no increase in their antibody titres for collagen type-I. But there was a significant increase in the antibodies for α-Gal in the group with porcine GA- fixed heart valves. This was not seen with decellularized heart valves. For the aortic valves we were able to show, that even after the long incubation with DOA, which is necessary to decellularize the tissue, there was no degradation or detectable changes within the ECM. These results were confirmed with the decellularized pericardial patches. They showed no degradation before or after the implantation and were able to withstand the high pressure of the systemic circulation. Conclusion: We were able to show that implantation of decellularized porcine heart valves does not cause immunological reactions of increased anti-ECM antibody levels. Furthermore our in-vestigations showed that important elements of the ECM like PGs and GAGs are being preserv-ed after decellularization. Additionally, decellularized equine pericardial patches haven proven their suitability in the systemic circulation of juvenile sheep without affecting mechanical prop-erties by degradation.