Südameklapid

Varem arvati, et kõik südameklapid on lihtsad struktuurid, mille panus ühesuunalisse verevoolu seisneb lihtsalt passiivses liikumises vastusena rakendatud rõhugradiendile. See "passiivsete struktuuride" mõistmine viis "passiivsete" mehaaniliste ja bioloogiliste klapiasendajate väljatöötamiseni.

Nüüd on saamas ilmseks, et südameklappidel on keerulisem struktuur ja funktsioon. Seetõttu eeldab "aktiivse" südameklapi asendaja loomine struktuuri ja funktsiooni olulist sarnasust loodusliku südameklapiga, mis on tulevikus tänu koetehnoloogia arengule üsna realistlik.

Südameklapid arenevad mesenhümaalse koe embrüonaalsetest rudimentidest endokardi moodustumise ajal. Morfogeneesi käigus moodustuvad atrioventrikulaarne kanal (trikuspidaal- ja mitraalklapid) ja vatsakeste väljavoolutee (aordi- ja kopsuklapid).

[ 1 ], [ 2 ], [ 3 ], [ 4 ], [ 5 ]

Kuidas on südameklapid paigutatud?

Klappide verevarustuse uurimise algatas N. Luschka (1852), kes süstis südame veresoontesse kontrastainet. Ta avastas arvukalt veresooni aordi ja kopsuarteri atrioventrikulaarsete ja poolkuuklappide tipudes. Samal ajal leidus mitmetes patoloogilise anatoomia ja histoloogia käsiraamatutes märke, et muutumatul kujul inimese südameklapid ei sisalda veresooni ning viimased esinevad klappides ainult mitmesuguste patoloogiliste protsesside - erineva etioloogiaga ateroskleroosi ja endokardiidi - korral. Teave veresoonte puudumise kohta põhines peamiselt histoloogilistel uuringutel. Eeldati, et kui tipude vabas osas puuduvad veresooned, toimub nende toitumine vereplasmast vedeliku filtreerimise teel, mis tipusid peseb. Täheldati mõne veresoone tungimist koos vöötlihaskoe kiududega klappide ja kõõluste ahelate alustesse.

Südame veresoonte süstimisel erinevate värvainetega (India tint želatiinis, vismut želatiinis, musta tindi vesisuspensioon, karmiini või trüpaansinise lahused) leiti, et veresooned tungivad koos südamelihaskoega läbi atrioventrikulaarsete südameklappide, aordiklappide ja kopsuarteri, jõudes veidi enne klapi vaba servani.

Atrioventrikulaarse klapi sulgede lahtises kiulise sidekoe struktuuris leiti üksikuid peamisi veresooni, mis anastomoosisid südame vöötlihaskoe külgnevate piirkondade veresoontega.

Suurim arv veresooni asus nende klappide aluses ja suhteliselt väiksem arv vabas osas.

K. I. Kulchitsky jt (1990) andmetel on mitraalklapis suurem arteriaalsete ja venoossete veresoonte läbimõõt. Selle klapi tippude põhjas paiknevad peamiselt peamised veresooned, millel on kitsa silmusega kapillaaride võrgustik, mis tungib tippu basaalsesse ossa ja hõlmab 10% selle pindalast. Trikuspidaalklapis on arteriaalsete veresoonte läbimõõt väiksem kui mitraalklapis. Selle klapi tippudes on peamiselt hajutatud veresooned ja suhteliselt laiad kapillaaride silmused. Mitraalklapis varustatakse verega intensiivsemalt eesmist tippu, trikuspidaalklapis aga eesmist ja tagumist tippu, mis täidavad peamist sulgemisfunktsiooni. Täiskasvanud inimeste südame atrioventrikulaarsetes klappides on arteriaalsete ja venoossete veresoonte läbimõõtude suhe 1:1,5. Kapillaarsilmused on hulknurksed ja paiknevad klapi tippude põhjaga risti. Veresooned moodustavad tasapinnalise võrgustiku, mis asub kodade poolel endoteeli all. Kõõluskeeltes leidub ka veresooni, mis läbivad parema ja vasaku vatsakese papillaarlihaseid kuni 30% kõõluskeelte pikkusest. Kõõluskeelte aluses moodustavad arvukalt veresooni kaarekujulisi aasasid. Aordi ja kopsutüve südameklapid erinevad atrioventrikulaarsetest klappidest oluliselt verevarustuse poolest. Suhteliselt väiksema läbimõõduga peamised veresooned lähenevad aordi ja kopsutüve klappide poolkuukujuliste tippude alusele. Nende veresoonte lühikesed harud lõpevad ebakorrapärase ovaalse ja hulknurkse kujuga kapillaarsilmustega. Need paiknevad peamiselt poolkuukujuliste tippude aluse lähedal. Aordi- ja kopsuklapi aluse venoossed veresooned on samuti väiksema läbimõõduga kui atrioventrikulaarsete klappide aluses olevad veenisooned. Täiskasvanud inimeste südame aordi- ja kopsuklapi arteriaalsete ja venoossete veresoonte läbimõõtude suhe on 1:1,4. Suurematest veresoontest väljuvad lühikesed külgharud, mis lõpevad ebakorrapärase ovaalse ja hulknurkse kujuga kapillaarsilmustega.

Vanusega sidekoe kiud, nii kollageeni- kui ka elastsed, jämenevad, samuti väheneb lahtise kiulise ja vormimata sidekoe hulk, tekib atrioventrikulaarse klapi tippude ja aordi- ja kopsuarteri klapi poolkuukujuliste tippude koe skleroos. Klapides olevate südamelihase kiudude pikkus väheneb ja sellest tulenevalt väheneb ka nende hulk ja südameklappe läbivate veresoonte arv. Nende muutuste tõttu kaotavad südameklapid oma elastsed ja vastupidavad omadused, mis mõjutab klapi sulgumise mehhanismi ja hemodünaamikat.

Südameklappidel on lümfikapillaaride võrgustikud ja väike arv klappidega varustatud lümfisooni. Tippide lümfikapillaaridel on iseloomulik välimus: nende valendik on väga ebaühtlane, samal kapillaaril on erinevates piirkondades erinev läbimõõt. Kohtades, kus mitu kapillaari ühinevad, tekivad laienemised - erineva kujuga lüngad. Võrgustike silmused on sageli ebakorrapärased hulknurksed, harvemini ovaalsed või ümarad. Sageli ei ole lümfivõrkude silmused suletud ja lümfikapillaarid lõpevad pimesi. Lümfikapillaaride silmused on kõige sagedamini orienteeritud tipu vabast servast selle aluse suunas. Mõnel juhul leiti atrioventrikulaarse klapi tippudes kahekihiline lümfikapillaaride võrgustik.

Endokardiaalsed närvipõimikud paiknevad selle erinevates kihtides, peamiselt endoteeli all. Klapiotsade vabas servas paiknevad närvikiud peamiselt radiaalselt, ühendudes kõõluskeelte omadega. Otsaotsade alusele lähemal moodustub suuremate silmadega närvipõimik, mis ühendub kiuliste rõngaste ümber paikneva põimikuga. Poolkuukujulistel otsaotsadel on endokardiaalne närvivõrgustik hõredam. Klapide kinnituskohas muutub see tihedaks ja mitmekihiliseks.

Südameklappide rakuline struktuur

Klapi struktuuri säilitamise eest vastutavad klapivahekoe rakud on pikliku kujuga, arvukate peente jätketega, mis ulatuvad läbi kogu klapimaatriksi. Klapivahekoe rakkude populatsioonid erinevad morfoloogia ja struktuuri poolest kahest; ühel on kontraktiilsed omadused ja seda iseloomustab kontraktiilsete fibrillide olemasolu, teisel on sekretoorsed omadused ning hästi arenenud endoplasmaatiline retiikulum ja Golgi aparaat. Kontraktiilne funktsioon peab vastu hemodünaamilisele rõhule ja seda toetab lisaks nii südame- kui ka skeleti kontraktiilsete valkude tootmine, mille hulka kuuluvad alfa- ja beeta-müosiini rasked ahelad ning troponiini mitmesugused isovormid. Südameklapi ava kokkutõmbumist on näidatud vastusena mitmetele vasoaktiivsetele ainetele, mis viitab koordineeritud bioloogilisele stiimulile eduka klapifunktsiooni jaoks.

Interstitsiaalsed rakud on ka selliste struktuuride nagu südameklapid parandussüsteemi olulised komponendid. Klapilihmade pidev liikumine ja sellega kaasnev sidekoe deformatsioon tekitab kahjustusi, millele klapi interstitsiaalsed rakud reageerivad, et säilitada klapi terviklikkus. Parandusprotsess näib olevat normaalse klapifunktsiooni jaoks ülioluline ja nende rakkude puudumine praegustes tehisklapimudelites on tõenäoliselt bioproteeside struktuurikahjustuste soodustav tegur.

Interstitsiaalsete rakkude oluline uurimisvaldkond on nende ja ümbritseva maatriksi vaheliste interaktsioonide uurimine, mida vahendavad fokaalsed adhesioonimolekulid. Fokaalsed adhesioonid on spetsialiseerunud raku-maatriksi interaktsioonikohad, mis seovad raku tsütoskeleti maatriksi valkudega integriinide kaudu. Nad toimivad ka signaaliülekande kohtadena, edastades rakuvälisest maatriksist mehaanilist teavet, mis võib esile kutsuda reaktsioone, sealhulgas, kuid mitte ainult, rakkude adhesiooni, migratsiooni, kasvu ja diferentseerumist. Klapisisesete interstitsiaalsete rakkude rakubioloogia mõistmine on ülioluline, et selgitada mehhanisme, mille abil need rakud üksteise ja oma keskkonnaga suhtlevad, et seda funktsiooni saaks kunstlikes klappides korrata.

Seoses südameklappide koetehnoloogia paljulubava suuna arendamisega viiakse läbi interstitsiaalsete rakkude uuringuid, kasutades laia valikut meetodeid. Rakkude tsütoskeleti olemasolu kinnitatakse vimentiini, desmiini, troponiini, alfa-aktiini ja silelihaste müosiini, alfa- ja beeta-müosiini raskete ahelate, südame müosiini kergete ahelate-2, alfa- ja beeta-tubuliini värvimisega. Rakkude kontraktiilsust kinnitatakse positiivse reaktsiooniga adrenaliinile, angiotensiin II-le, bradükiniinile, karbakoolile, kaaliumkloriidile ja endoteeli I-le. Rakkudevahelisi seoseid määratakse funktsionaalsete pilude interaktsioonide abil ja kinnitatakse karboksüfluorestseiini mikroinjektsioonidega. Maatriksi sekretsiooni määratakse prolüül-4-hüdroksülaasi / II tüüpi kollageeni, fibronektiini, kondroitiinsulfaadi ja laminiini värvimisega. Innervatsiooni määrab motoorsete närvilõpmete lähedane paiknemine, mida peegeldab neuropeptiid Y türosiinhüdroksülaasi, atsetüülkoliinesteraasi, vasoaktiivse soolepolüpeptiidi, substants-P ja kapsageeniga seotud peptiidi aktiivsus. Mitogeenseid faktoreid hinnatakse trombotsüütidest pärineva kasvufaktori, basaalse fibroblastide kasvufaktori ja serotoniini (5-HT) abil. Uuritud interstitsiaalsete rakkude fibroblastidele on iseloomulik mittetäielik basaalmembraan, pikad õhukesed tsütoplasmaatilised jätked, tihe seos maatriksiga, hästi arenenud ebaühtlane endoplasmaatiline retiikulum ja Golgi aparaat, mikrofilamentide rohkus ja adhesiivsidemete moodustumine.

Klapi endokardirakud moodustavad iga südameklapi ümber funktsionaalse atrombogeense kate, mis sarnaneb veresoonte endoteeliga. Laialdaselt kasutatav klapi asendamise meetod kõrvaldab endokardi kaitsva funktsiooni, mis võib viia trombotsüütide ja fibriini ladestumiseni tehisklappidele, bakteriaalse infektsiooni tekkeni ja kudede lupjumiseni. Nende rakkude teine tõenäoline funktsioon on alusklappide interstitsiaalsete rakkude reguleerimine, mis sarnaneb silelihasrakkude regulatsiooniga endoteeli poolt. Endoteeli ja külgnevate rakkude vahel eksisteerivad keerulised interaktsioonid, mida vahendavad osaliselt endoteelirakkude poolt sekreteeritavad lahustuvad faktorid. Need rakud moodustavad valendiku poolel tohutu pinna, mis on kaetud mikroeenditetega, suurendades seeläbi kokkupuudet ja võimalikku interaktsiooni vereringes sisalduvate ainevahetusainetega.

Endoteelil esinevad sageli morfoloogilised ja funktsionaalsed erinevused, mis on põhjustatud verevoolust tingitud nihkepingetest veresoone seinale, ja see kehtib ka klapiendokardi rakkude kohta, mis võtavad kas pikliku või hulknurkse kuju. Muutused rakustruktuuris võivad tekkida lokaalse hemodünaamika mõjul raku tsütoskeleti komponentidele või sekundaarsete efektide tõttu, mis on põhjustatud muutustest alusrakuvälises maatriksis. Ultrastruktuuri tasandil on klapiendokardi rakkudel rakkudevahelised ühendused, plasmavesiikulid, kare endoplasmaatiline retiikulum ja Golgi aparaat. Kuigi nad toodavad von Willebrandi faktorit nii in vivo kui ka in vitro, puuduvad neil Weibel-Palade kehakesed (spetsiifilised graanulid, mis sisaldavad von Willebrandi faktorit), mis on veresoonte endoteelile iseloomulikud organellid. Klapiendokardi rakkudele on iseloomulikud tugevad ühendused, funktsionaalsete pilude interaktsioonid ja kattuvad marginaalsed voldid.

Endokardirakud säilitavad oma metaboolse aktiivsuse isegi in vitro: nad toodavad von Willebrandi faktorit, prostatsükliini, lämmastikoksiidi süntaasi, näitavad üles angiotensiini konverteeriva ensüümi aktiivsust ja sekreteerivad intensiivselt adhesioonimolekule ICAM-1 ja ELAM-1, mis on olulised mononukleaarsete rakkude sidumiseks immuunvastuse tekkimise ajal. Kõiki neid markereid tuleks koetehnoloogia abil tehisklapi loomiseks ideaalse rakukultuuri kasvatamisel arvesse võtta, kuid klapiendokardirakkude endi immunostimuleeriv potentsiaal võib nende kasutamist piirata.

Südameklappide rakuväline maatriks koosneb kiulistest kollageeni ja elastiini makromolekulidest, proteoglükaanidest ja glükoproteiinidest. Kollageen moodustab 60% klapi kuivkaalust, elastiin 10% ja proteoglükaanid 20%. Kollageenikomponent tagab klapi peamise mehaanilise stabiilsuse ning seda esindavad I (74%), II (24%) ja V (2%) tüüpi kollageenid. Kollageeniniitide kimbud on ümbritsetud elastiinkestaga, mis vahendab nendevahelisi interaktsioone. Proteoglükaani molekulide glükosaminoglükaani külgahelad moodustavad geelitaolise aine, milles teised maatriksimolekulid interakteeruvad, moodustades püsivaid sidemeid ja ladestuvad muud komponendid. Inimese südameklappide glükosaminoglükaanid koosnevad peamiselt hüaluroonhappest, vähemal määral dermataansulfaadist, kondroitiin-4-sulfaadist ja kondroitiin-6-sulfaadist, minimaalse heparaansulfaadi kogusega. Maatriksikoe ümberkujunemist ja uuenemist reguleerivad maatriksi metalloproteinaasid (MMP-d) ja nende koe inhibiitorid (TI-d). Need molekulid osalevad ka laiemas valikus füsioloogilistes ja patoloogilistes protsessides. Mõningaid metalloproteinaase, sealhulgas interstitsiaalseid kollagenaase (MMP-1, MMP-13) ja želatinaase (MMP-2, MMP-9) ning nende koe inhibiitoreid (TI-1, TI-2, TI-3), leidub kõigis südameklappides. Metalloproteinaaside liigne tootmine on iseloomulik südameklapi patoloogilistele seisunditele.

[ 6 ], [ 7 ], [ 8 ], [ 9 ], [ 10 ], [ 11 ], [ 12 ], [ 13 ], [ 14 ], [ 15 ], [ 16 ]

Südameklapid ja nende morfoloogiline struktuur

Südameklapid koosnevad kolmest morfoloogiliselt erinevast ja funktsionaalselt olulisest voldiku maatriksi kihist: kiulisest, käsnjasest ja vatsakestekujulisest.

Kiudkiht moodustab klapilehele koormust taluva raamistiku, mis koosneb kollageenkiudude kihtidest. Need kiud on paigutatud radiaalselt voltidesse, et arteriaalsed klapid saaksid sulgumisel venitada. Kiudkiht asub nende klappide väljundpinna lähedal. Atrioventrikulaarsete klappide kiudkiht toimib kõõluste kollageenikimpude jätkuna. See paikneb käsnja (sisselaske) ja vatsakeste (väljalaske) kihi vahel.

Kiud- ja vatsakeste kihi vahel asub käsnjas kiht (spongiosa). Käsnjas kiht koosneb halvasti organiseeritud sidekoest viskoosses keskkonnas. Selle kihi domineerivad maatrikskomponendid on proteoglükaanid juhuslikult orienteeritud kollageeni ja õhukeste elastiinikihtidega. Proteoglükaani molekulide külgahelad kannavad tugevat negatiivset laengut, mis mõjutab nende suurt võimet siduda vett ja moodustada poorne maatriksgeel. Maatriksi käsnjas kiht vähendab südameklapilehtede mehaanilist pinget ja säilitab nende paindlikkuse.

Ventrikulaarne kiht on teistest palju õhem ja rikas elastsete kiudude poolest, mis võimaldavad koel pidevale deformatsioonile vastu panna. Elastiinil on käsnjas struktuur, mis ümbritseb ja ühendab kollageenikiude ning hoiab neid neutraalses volditud olekus. Klapi sisselaskekiht (ventrikulaarne - arteriaalsete klappide puhul ja käsnjas - atrioventrikulaarsete klappide puhul) sisaldab rohkem elastiini kui väljundkiht, mis tagab hüdraulilise löögi pehmenemise, kui tipud sulguvad. See kollageeni ja elastiini vaheline seos võimaldab tipudel venitada kuni 40% ilma stabiilse deformatsioonita. Väikese koormuse korral on selle kihi kollageenstruktuurid orienteeritud koormuse suunas ja selle vastupidavus edasisele koormuse kasvule suureneb.

Seega on südameklappide kui lihtsate endokardi duplikaatide idee mitte ainult lihtsustatud, vaid ka sisuliselt vale. Südameklapid on keerulised organid, mis hõlmavad vöötlihaskiude, vere- ja lümfisoonteid ning närvielemente. Nii oma struktuurilt kui ka toimimiselt on klapid lahutamatu osa kõigist südamestruktuuridest. Normaalse klapifunktsiooni analüüs peab arvestama selle rakulise organisatsiooniga, samuti rakkude omavahelise interaktsiooni ja maatriksiga. Sellistest uuringutest saadud teadmised on teerajajad klapiproteeside kavandamisel ja arendamisel koetehnoloogia abil.