Histologie der dezellularisierten, tissue-engineerten, minimalinvasiv transvenös implantierten Pulmonalklappen im Schafsmodell

Abstract

Einleitung Alle bisher auf dem Markt verfügbaren Herzklappenprothesen weisen noch viele Probleme auf. So kommt es bei biologischen Klappen häufig zu frühzeitigen Degeneration oder Entzündungsreaktion. Patienten mit mechanische Herzklappenersatz benötigen eine lebenslange Antikoagulation. Beiden Modellen fehlt die Fähigkeit des Mitwachsens, dies wäre besonders für Kinder ein wichtiger Faktor, um ihnen wiederholte Eingriffe zu ersparen. Mittels Tissue Engineering besteht theoretisch die Möglichkeit, Herzklappen herzustellen, die die beschriebenen Probleme überwinden können. Seit der Jahrtausendwende ist es möglich, Herzklappenprothesen mittels minimalinvasiver Kathetertechnik zu implantieren. Die hier vorgestellte Arbeit hat die Histologie und Funktion dezellulariserter tissue-engineerter, minimalinvasiv implantierter Herzklappenprothesen zum Gegenstand.

Methode Tissue-engineerte Pulmonalklappen wurde aus Myofibroblasten auf einem bioresorbierbaren Polyglykolsäure-Gerüst in einem Bioreaktor gezüchtet und anschließend dezellularisiert. Insgesamt wurden vier verschiedene Klappentypen hergestellt, die sich in Form und der Besiedlungsdauer unterschieden. Die fertige tissue-engineerte Herzklappe wurde in einen Nitinolstent eingenäht und transvenösen minimalinvasiven in 18 Schafen in Pulmonalklappenposition implantiert. Im anschließenden Nachbeobachtungszeitraum von 52 Wochen erhielten die Tiere in regelmäßigen Abständen, CT, MRT, intrakardiale Echokardiographie, Angiografie und invasive Druckmessungen zur Überprüfung der Funktion. Am Ende des Projekts wurden die explantierten Klappen makroskopisch und histologisch untersucht. Hierfür wurden die Klappen in ein Kunstharz eingebettet, immunhistochemisch gefärbt und anschließend histologisch untersucht.

Ergebnisse Alle Klappen konnten implantiert werden. Anfänglich zeigten sich noch Probleme mit der Stabilität der Klappen, sie wurden wahrscheinlich durch das Crimping beschädigt. Diese Probleme wurden in den neueren Klappengenerationen erfolgreich behoben, so dass zehn Tiere das Follow-Up von 52 Wochen erreichten. Hinsichtlich der Funktion zeigten die Klappen sehr gute Ergebnisse, es zeigten sich keine signifikanten Flussbeschleunigungen über der Klappe, d.h. es gab keinen Anhalt für Stenosierung. Nach der Explantation zeigten sich makroskopisch zarte Klappen mit leicht verdickten Klappenrändern. Histologisch war ein gutes Wiederbesiedeln mit körpereigenen Zellen, die Bildung von extrazellulärer Matrix und Endothel zu beobachten.

Diskussion Diese Arbeit zeigt, dass es möglich ist, dezellularisierte tissue-engineerte Herzklappen herzustellen und diese über die transkutane minimalinvasive Methode zu implantieren. Zwar konnte kein Wachstum der Klappe festgestellt werden, da erwachsene Schafe verwendet wurden, dennoch waren die funktionellen und histologischen Ergebnisse der Klappe sehr zufrieden stellend und könnten eine Alternative für die bisherigen biologischen und mechanischen Herzklappenprothesen darstellen.

Background All heart valve prostheses currently available on the market still cause significant problems. For example, biological prostheses frequently suffer from an early degeneration or lead to inflammatory reactions. Patients with mechanical heart valve prostheses require lifelong anticoagulant medication. Both models lack the ability to grow with the patient, which would be an important factor for children to avoid repeated interventions. The scope is to use tissue engineering to develop heart valves that can overcome these technical and medical difficulties. Since the turn of the millennium, it has become possible to implant heart valve prostheses using minimally invasive methods. The aim of this work is the histological and functional assessment of decellularized, tissue engineered heart valve prostheses that were implanted using the mini mally invasive catheter technique. Methods The tissue-engineered pulmonary valves were grown from myofibroblasts on biore sorbable polyglycolic acid scaffold in a bioreactor and subsequently decellularized. Four dif ferent types of valves were created that differed in shape and duration of cultivation. After culture the valves were sewn into a nitinol stent and were then implanted at the pulmonary valveposition in 18 different sheep using the transcutaneous minimally invasive method. In the subsequent follow-up of 52 weeks the animals received CT, MRI, intracardiac echocardiog raphy, angiography and invasive pressure examinations in regular intervals to evaluate the func tion of the heart valve prostheses. After completed follow-up the heart valves were harvested and microscopical and histologically examined. For this purpose, the flaps were embedded in a synthetic resin, stained immunohistochemically, and then cut for microscopical examination. Results We were able to successfully implant all valves. Initially problems concerning the sta bility of the valves arose. The valves were most likely damaged by crimping. These problems were successfully dealt with in the newer valve generations, so that ten animals reached the end of the 52-week follow-up period. Regarding function, the valves showed very good results; no significant flow accelerations were across the valves (absence of stenosis). After explanation, macroscopically valves with natural appearance of the main body and slightly thickened edges were observed. Histologically, good re-colonization by autologous cells, production of extra cellular matrix and a closed endothelial layer were observed. Conclusions: This work shows that it is possible to produce decellularized tissue engineered heart valves and to implant them via the transcutaneous minimally invasive method. We were unable to examine any growth of the valves as adult sheep were used in this experiment, but the functional and histological results of the valve were very satisfactory and could represent an alternative for current biological and mechanical heart valve prostheses.