Сотрудники Национального медицинского исследовательского центра имени академика Е. Н. Мешалкина создали новый тип биопротеза клапана для детской кардиохирургии. Он менее других подвержен кальцификации, что позволит сократить количество повторных оперативных вмешательств. Материал этого протеза обрабатывается с помощью бисфосфонатов, синтезированных в Новосибирском институте органической химии им. Н. Н. Ворожцова СО РАН.
Каждый год в России более чем у 430 тысяч детей диагностируют врожденную патологию сердечно-сосудистой системы. Многим из них уже с первых дней жизни необходимо неоднократно проводить операции по протезированию пути оттока из правого желудочка в легочную артерию. «Дети, которым требуется такое протезирование, чаще всего имеют сложные многокомпонентные пороки сердца, при которых легочная артерия развита неправильно, в недостаточной степени или отсутствует вообще. В результате резко страдает кровоток в легких, кровь плохо насыщается кислородом. Сердце при этом испытывает колоссальные перегрузки и быстро истощается, развивается сердечная недостаточность. Такие дети плохо растут, отстают в развитии, имеют цианотичный цвет кожи (так называемую синюху). Если им не помочь и не восстановить полноценный легочный кровоток, их шансы выжить крайне малы», — рассказывает научный сотрудник центра новых хирургических технологий НМИЦ им. акад. Е. Н. Мешалкина, детский сердечно-сосудистый хирург кандидат медицинских наук Наталия Романовна Ничай.
Сегодня существует множество материалов, использующихся для создания клапанов сердца, однако ни один из них не является идеальным. Протезы быстро выходят из строя из-за реакции организма на чужеродную ткань и отложения в ней солей кальция. Особенно актуальна эта проблема для детей, поскольку они имеют специфический обмен веществ, необходимый для активного роста. Кроме того, по мере взросления ребенка протез перестает соответствовать размеру сердца и потребностям организма. По этим причинам пациентам с врожденными пороками сердца приходится менять протезы несколько раз в течение жизни.
«Наша команда поставила перед собой цель — сделать протез, который бы в меньшей степени был подвержен кальцификации и, следовательно, имел более долгий период функционирования. Для реализации этой идеи мы двигались в двух направлениях: подбор оптимального материала и создание нового метода обработки, позволяющего значительно снизить накопление кальция в тканях без ухудшения их механических характеристик», — говорит Наталия Ничай.
Проведя первые этапы исследований, ученые установили, что наиболее оптимальный материал для создания протеза легочной артерии у детей — очищенная и обработанная яремная вена быка. Она обладает целым рядом преимуществ: имеет естественный внутрисосудистый трехстворчатый клапан, аналогичный клапану легочной артерии, в ней отсутствуют швы, в которых мог бы накапливаться кальций, а кроме того, можно найти разные размеры, включая даже маленькие диаметры, необходимые для хирургического лечения новорожденных.
Заведующая лабораторией биопротезирования НМИЦ им. акад. Е. Н. Мешалкина доктор медицинских наук Ирина Юрьевна Журавлёва предложила применять для консервации ткани бычьей вены эпоксидное соединение в сочетании с бисфосфоновыми кислотами. Эпоксид хорошо связывается с компонентами венозной стенки, придает ей прочность, но при этом не оказывает негативного влияния на эластичность ткани. Более того, эпоксидная обработка сама по себе значительно уменьшает кальцификацию венозной стенки и створок клапана по сравнению с широко применяемыми методами консервации тканей (однако ранее она при создании венозных протезов не применялась).
Бисфосфонаты образуют крепкие химические связи с компонентами венозной стенки, тем самым блокируя их связывание с кальцием. «Все бисфосфоновые кислоты имеют пару фосфоновых групп и являются структурными аналогами пирофосфата. Однако функционально от него отличаются: они “обманывают” ферменты, расщепляющие пирофосфат и добывающие таким путем фосфаты для кристаллизации гидроксиапатита (основной компонент кальциевых отложений). Таким образом, иммобилизованные на ткань протеза бисфосфоновые кислоты связывают кальций, присутствующий в крови каждого человека, и при этом препятствуют кристаллизации гидроксиапатита», — отмечает Ирина Журавлёва.
Идея использовать бисфосфонаты для создания детских клапанных кондуитов также была предложена впервые. Для того чтобы узнать молекулярные механизмы взаимодействия биоматериалов с консервантами и бисфосфонатами, ученые обратились в Новосибирский институт органической химии им. Н. Н. Ворожцова СО РАН. Исследователи НИОХ помогли подобрать бисфосфонаты, наиболее подходящие для обработки кардиологического биопротеза.
«Старший научный сотрудник лаборатории азотистых соединений НИОХ СО РАН кандидат химических наук Юлия Фёдоровна Полиенко синтезировала нам семь различных препаратов этой группы, пять из которых являются известными лекарственными средствами, а два — продуктами оригинального синтеза. Одно из этих двух веществ проявило уникальную антикальциевую эффективность», — говорит Ирина Журавлёва.
«Ранее в нашем институте проводилась работа по получению и исследованию бисфосфоновых кислот как комплексонов для регуляции кальциевого обмена в атеросклеротических бляшках, у нас в наличии имелись разные типы бисфосфонатов — как присутствующие на рынке, так и новые. Мы предоставили их образцы для скринингового исследования, после которого были отобраны те, что оказались наиболее эффективными в снижении кальцификации биопротезов, — комментирует Юлия Полиенко. — Механизм иммобилизации бисфосфонатов в стенке протеза объясняется возможностью ковалентного взаимодействия с консервантом. Сложность работы заключалась в том, чтобы подобрать их оптимальное сочетание, которое невозможно предугадать, поскольку химическое взаимодействие хоть и определяющий, но не единственный фактор».
Для оценки эффективности применения данного типа обработки тканей ученые НМИЦ им. акад. Е. Н. Мешалкина провели исследования in vitro и in vivo на мелких лабораторных животных. Полученные результаты подтвердили: разработанный метод позволяет в разы снизить степень накопления тканями кальция без негативного влияния консервации на прочность и эластичность ткани. Это свидетельствует о том, что разработанный клапан будет функционировать дольше своих аналогов. Более того, созданный в Сибири протез является менее финансово затратным по сравнению с уже имеющимися на рынке зарубежными и отечественными аналогами.
Сейчас исследователи продолжают проведение доклинических испытаний на лабораторных животных, в частности — устанавливают протез в позицию легочной артерии мини-пигам, выращенным на свиноферме ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН», для оценки его функционирования в реальных условиях. Окончание этих работ запланировано на 2019 год. А уже в следующем году ученые собираются начать подготовку к проведению клинических испытаний.
ИСТОЧНИКИ
Сибирские ученые разработали протез клапана для детских сердец
- Наука в Сибири, 20.02.2019
Клапан из бычьей вены для детских сердец разработали в клинике Мешалкина
- Все новости Новосибирской области (vn.ru), 20/02/2019
Сибирские ученые разработали протез клапана для детских сердец
- Новости Сибирской науки (www.sib-science.info), 20/02/2019