Серцеві клапани

Раніше вважалося, що всі серцеві клапани - прості структури, чий внесок в односпрямоване протягом крові є просто пасивним рухом у відповідь на діючий градієнт тиску. Таке розуміння «пасивних структур» привело до створення «пасивних» механічних і біологічних замінників клапанів.

Зараз стає очевидним, що серцеві клапани мають більш складну будову і функцію. Тому створення «активного» замінника клапана серця передбачає значну схожість його за структурою і функції з природним клапаном серця, що в перспективі цілком реально завдяки розвитку тканинної інженерії.

Серцеві клапани розвиваються з ембріональних зачатків мезенхімальних тканини при закладці ендокарда. В процесі морфогенезу формуються предсердно-шлуночковий канал (трікуспідальний і мітральний cердечние клапани) і шлуночковий виносить тракт (аортальний і легеневий cердечние клапани).

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

Як влаштовані серцеві клапани?

Початок дослідження кровопостачання клапанів поклав Н Luschka (1852), застосувавши ін'єкцію судин серця контрастною масою. Він виявив в стулках передсердно-шлуночкових і напівмісячних клапанів аорти і легеневої артерії численні кровоносні судини. Разом з тим, в ряді посібників з патологічної анатомії і гістології були вказівки про те, що незмінені серцеві клапани людини не містять кровоносних судин, а останні з'являються в клапанах тільки при різних патологічних процесах - атеросклерозі і ендокардітах різної етіології. Відомості про відсутність кровоносних судин базувалися в основному, на гістологічних дослідженнях. Передбачалося, що при відсутності кровоносних судин у вільній частині стулок їх харчування відбувається шляхом фільтрації рідини з плазми крові, що омиває стулки. Зазначалося проникнення нечисленних судин разом з волокнами поперечно-м'язової тканини в підстави стулок і сухожильних хорд.

Однак при ін'єкції судин серця різними барвниками (туші в желатині, вісмуту в желатині, водної суспензії чорної туші, розчинів карміну або трипанового блакитного) було встановлено, що судини проникають в передсердно-шлуночкові cердечние клапани, клапани аорти і легеневої артерії разом із серцевою м'язовою тканиною , трохи не досягаючи вільного краю стулки.

У пухкої волокнистої сполучної тканини стулок передсердно-шлуночкових клапанів були виявлені окремі магістральні судини, анастомозирующие з судинами поруч розташованих ділянок серцевого поперечно-м'язової тканини.

Найбільша кількість кровоносних судин розташовувалося в підставі і порівняно менше - у вільній частині цих клапанів.

За даними К. І. Кульчицького та ін. (1990), більший діаметр артеріальних і венозних судин зустрічається в мітральному клапані. У підставі стулок цього клапана розташовуються, головним чином, магістральні судини з узкопетлистой мережею капілярів, проникаючі в базальну частину стулки і займають 10% її площі. У трикуспідального клапані артеріальні судини мають менший діаметр, ніж в митральном. У стулках цього клапана розташовуються, переважно, судини розсипного типу і порівняно широкі петлі кровоносних капілярів. У мітральному клапані більш інтенсивно постачається кров'ю передня стулка, в трикуспидальном - передня і задня стулки, що несуть основну замикальних функції. Співвідношення діаметрів артеріальних і венозних судин в передсердно-шлуночкових клапанах серця людей зрілого віку становить 1: 1,5. Петлі капілярів мають полігональну форму і розташовуються перпендикулярно основи стулок клапана. Судини утворюють площинну мережу, розташовану під ендотелієм з боку передсердь. Кровоносні судини виявлені також в сухожильних хордах, куди вони проникають з сосочкових м'язів правого і лівого шлуночків на відстань до 30% довжини сухожильних хорд. Численні кровоносні судини утворюють дугоподібні петлі в підставі сухожильних хорд. Серцеві клапани аорти та легеневого стовбура по кровопостачанню в значній мірі відрізняються від передсердно-шлуночкових. До основи напівмісячних стулок клапанів аорти і легеневого стовбура підходять магістральні судини щодо меншого діаметру. Короткі гілки цих судин закінчуються петлями капілярів неправильної овальної і полігональної форми. Вони розташовуються, переважно, поблизу основи напівмісячних стулок. Венозні судини в підставі клапанів аорти і легеневої артерії також мають менший діаметр, ніж в підставі предсердно-шлуночкових клапанів. Співвідношення діаметрів артеріальних і венозних судин в клапанах аорти і легеневої артерії серця людей зрілого віку становить 1: 1,4. Від більш великих судин відходять короткі бічні гілочки, що закінчуються петлями капілярів неправильної овальної і полігональної форми.

З віком спостерігається огрубіння волокон сполучної тканини, як колагенових, так і еластичних, а також зменшення кількості пухкоїволокнистої неоформленої сполучної тканини, розвивається склероз тканини стулок передсердно-шлуночкових клапанів і напівмісячних стулок клапанів аорти і легеневої артерії. Зменшується протяжність в клапанах волокон серцевого поперечно-м'язової тканини, а отже, знижується її кількість і число проникаючих в серцеві клапани кровоносних судин. У зв'язку із зазначеними змінами cердечние клапани втрачають свої еластичні і пружні властивості, що впливає на механізм закриття стулок і гемодинаміку.

Серцеві клапани мають мережі лімфатичних капілярів і незначна кількість лімфатичних судин, обладнаних клапанами. Лімфатичні капіляри стулок мають характерний вигляд: просвіт їх дуже нерівномірний, один і той же капіляр в різних ділянках має різний діаметр. У місцях злиття декількох капілярів утворюються розширення - лакуни різної форми. Петлі мереж мають частіше неправильну багатокутну, рідше овальну або круглу форму. Нерідко петлі лімфатичних мереж не замкнуті, і лімфатичні капіляри закінчуються сліпо Петлі лімфатичних капілярів орієнтовані частіше в напрямку від вільного краю стулки до її основи. У ряді випадків в стулках атріовентрикулярного клапана була виявлена двошаровий мережу лімфатичних капілярів.

Нервові сплетення ендокарда розташовуються в різних його шарах, головним чином під ендотелієм. У вільного краю стулок клапанів нервові волокна розташовуються, переважно, радіально, з'єднуючись з такими сухожильних хорд. Ближче до основи стулок утворюється крупнопетлістое нервове сплетіння, яке з'єднується з сплетінням, що знаходяться навколо фіброзних кілець. На напівмісячних стулках ендокардіальна нервова мережа більш рідкісна. У місця прикріплення клапанів вона стає густою і багатошаровою.

Клітинну будову серцевих клапанів

Клапанні інтерстиціальні клітини, що відповідають за підтримання структури клапана, мають витягнуту форму з великим числом тонких відростків, які тягнуться через весь матрикс клапана. Існують дві популяції клапанних інтерстиціальних клітин, що відрізняються по морфології і структурі; одні мають скоротливі властивостями і характеризуються наявністю скорочувальних фібрил інші мають секреторними властивостями і мають добре розвинений ендоплазматичнийретикулум і апарат Гольджі. Скорочувальна функція протистоїть гемодинамічного тиску і додатково підтримується виробленням як кардіального, так і скелетного скорочувальних білків, які включають важкі ланцюги альфа- і бета-міозину і різні ізоформи тропоніну. Скорочення стулки серцевого клапана було продемонстровано у відповідь на ряд вазоактивних агентів, які передбачають координує дію біологічного стимулу для успішного функціонування клапана.

Інтерстиціальні клітини є також необхідними компонентами відновної системи таких структур, як серцеві клапани. Постійний рух стулок і деформація сполучної тканини, пов'язана з нею, виробляє пошкодження, на яке клапанні інтерстиціальні клітини реагують з метою збереження цілісності клапана. Відновлювальний процес виявляється життєво важливим для нормального функціонування клапана, і відсутність цих клітин в сучасних моделях штучних клапанів, ймовірно, є чинником, що сприяє структурним пошкоджень біопротезів.

Важливим напрямком в дослідженні інтерстіціапьних клітин є вивчення взаємодії між ними і оточуючим їх матриксом, опосередковане фокальній адгезію молекул. Фокальні адгезії - спеціалізовані клітинно-матриксних ділянки взаємодії, що зв'язують цитоскелет клітини з білками матриксу через інтегрини. Вони також діють як сигнальні ділянки для трансдукції, передають механічну інформацію з позаклітинного матриксу, яка може досягати відповідей, включаючи, але не обмежуючись цим, клітинну адгезію, міграцію, зростання і диференціацію. Розуміння клітинної біології клапанних інтерстиціальних клітин життєво важливо для встановлення механізмів, за допомогою яких ці клітини взаємодіють між собою і навколишнім середовищем, для можливості відтворення цієї функції в штучних клапанах.

У зв'язку з розвитком перспективного напрямку тканинної інженерії серцевих клапанів дослідження інтерстіціапьних клітин проводяться з використанням широкого спектру методик. Наявність цитоскелету клітин підтверджено фарбуванням на виментин, десмин, тропонин, альфа-актину і міозину гладеньких м'язів, важких ланцюгів альфа- і бета-міозину, легких ланцюгів-2 кардіального міозину, альфа- і бета-тубуліну. Сокращаемость клітин підтверджена позитивною відповіддю на епінефрін, ангіотензин II, брадикінін, карбахол, хлорид калію, ендотелії I. Клітинна взаємозв'язок визначена функціональними щілинними взаємодіями і перевірена мікроін'єкціями карбоксіфлюоресцеіна. Матриксного секреція встановлена фарбуванням на пролив-4-гідроксилази / колаген II типу, фибронектин, хондроїтин сульфат, ламінін. Іннервація встановлена близьким розташуванням рухових нервових закінчень, що відбивається активністю нейропептиди Y тирозин гідроксилази, ацетилхолінестерази, вазоактивного кишкового поліпептиду, субстанції-Р, капьцітонін ген-зв'язаного пептиду. Мітогеном фактори оцінені тромбоцитарним-спадкоємною фактором зростання, основним фактором росту фібробластів, серотоніном (5-НТ). Досліджені фібробласти інтерстиціальних клітин характеризуються неповною базальноїмембраною, довгими, тонкими цитоплазматичними відростками, близьким зв'язком з матриксом, добре розвиненим нерівним ендоплазматичним ретикулумом і апаратом Гольджі, багатством микрофиламентами, формуванням адгезивних зв'язків.

Клапанні ендокардіальні клітини формують функціональну атромбогенной оболонку навколо кожного клапана серця, схожу з ендотелієм судин. Широко використовуваний спосіб заміни клапана ліквідує захисну функцію ендокарда, що може призводити до відкладення тромбоцитів і фібрину на штучних клапанах, розвитку бактеріальної інфекції і кальцифікації тканини. Інша ймовірна функція цих клітин - регуляція нижчих клапанних інтерстиціальних клітин, схожа на регуляцію гладком'язових клітин ендотелію. Комплексне взаємодія існує між ендотелієм та сусідніми клітинами, частково опосередковане розчинними факторами, секретується клітинами ендотелію. Ці клітини утворюють величезну поверхню, покриту мікровирости на люмінальноі стороні, таким чином збільшується експозиція і можливу взаємодію з метаболічними субстанціями циркулюючої крові.

Ендотелій часто відображає морфологічні та функціональні відмінності, викликані зсувними напруженнями на стінці судини, що виникають при русі крові, це саме можна сказати і до клапанним ендокардіальних клітинам, які беруть як витягнуту, так і полигональную форму. Зміни в структурі клітини можуть відбуватися завдяки дії місцевої гемодинаміки на компоненти цитоскелету клітини або вторинного ефекту, викликаного змінами в нижележащем позаклітковому матриксе. На рівні ультраструктури клапанні ендокардіальні клітини мають міжклітинними зв'язками, плазматичними бульбашками, нерівним ендоплазматичним ретикулумом і апаратом Гольджі. Незважаючи на те, що вони виробляють фактор Віллебранда, як в живому організмі, так і в штучному середовищі, в них відсутні тільця Вейбеля-Палада (специфічні гранули, які містять фактор Віллебранда), які є органелами, характерними для ендотелію судин. Клапанні ендокардіальні клітини характеризуються міцними сполуками, функціональними щілинними взаємодіями і перекриваються крайовими складками.

Ендокардіальні клітини зберігають свою метаболічну активність навіть in vitro: виробляють фактор Віллебранда, простациклін, синтазу оксиду азоту, демонструють активність ангіотензин перетворюючого ферменту, посилено виділяють молекули адгезії ICAM-1 і ELAM-1, які важливі для зв'язування мононуклеарних клітин при розвитку імунної відповіді. Всі ці маркери повинні враховуватися при вирощуванні ідеальної культури клітин для створення штучного клапана методом тканинної інженерії, але імуностимулюючий потенціал самих клапанних ендокардіальних клітин може обмежити їх використання.

Позаклітинний Метрикс серцевих клапанів складається з волокнистих колагенових і еластинових макромолекул, протеогліканів і глікопротеїнів. Колаген складає - 60% сухої ваги клапана, еластин - 10% і протеоглікани - 20%. Колагеновий компонент забезпечує основну механічну стійкість клапана і представлений колагеном I (74%). II (24%) і V (2%) типів. Пучки колагенових ниток оточені еластинових оболонкою, яка здійснює взаємодію між ними. Глікозаміногліканових бічні ланцюги молекул протеогликана мають тенденцію до формування схожою на гель субстанції, в якій взаємодіють інші молекули матриксу для формування постійних взаємозв'язків і відкладаються інші компоненти. Глікозаміноглікани клапана серця людини складаються, в основному, з гіалуронової кислоти, в меншій мірі - з дерматан сульфату, хондроїтин-4-сульфату та хондроїтин-6-сульфату, з мінімальною кількістю гепаран сульфату. Ремоделювання і оновлення тканини матриксу регулюються матриксного металлопротеиназами (ММП) і їх тканинними інгібіторами (ТІ). Ці молекули також беруть участь в більш широкому спектрі фізіологічних і патологічних процесів Деякі металлопротеінази, включаючи інтерстиціальні колагенази (ММП-1, ММП-13) і желатинази (ММП-2, ММП-9) і їх тканинні інгібітори (ТІ-1, ти- 2, ТИ-3), виявлені у всіх клапанах серця. Надлишок вироблення металопротеїназ характерний для патологічних станів серцевого клапана.

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

Серцеві клапани і їх морфологічна будова

Серцеві клапани складаються з трьох морфологічно різних і функціонально значних верств матриксу стулки - фіброзного, губчатого і шлуночкового.

Фіброзний шар формує стійкий до навантажень каркас стулки клапана, що складається з шарів колагенових волокон. Ці волокна розташовуються радіально у вигляді складок для можливості розтягування артеріальних клапанів при закритті. Фіброзний шар лежить близько вихідний зовнішньої поверхні цих клапанів. Фіброзний шари предсердно-шлуночкових клапанів служить продовженням колагенових пучків сухожильних хорд. Він розташований між губчастим (вхідним) і шлуночкових (вихідним) шарами.

Між фіброзним і шлуночкових знаходиться губчастий шар (спонгиоза). Губчастий шар складається з слабо організованою сполучної тканини в в'язкому середовищі. Домінуючими матриксного компонентами цього шару є протеоглікани з довільно орієнтованим колагеном і тонкими шарами еластину. Бічні ланцюга молекул протеогліканів несуть сильний негативний заряд, що позначається на їх високу здатність зв'язувати воду і формувати пористий гель матриксу. Губчастий шар матриксу знижує механічні напруги в стулках серцевих клапанів і підтримує їх гнучкість.

Шлуночковий шар набагато тонше, ніж інші, і рясніє еластичними волокнами, які дозволяють тканинам протистояти постійній деформації. Еластин має губчасту структуру, навколишнє і сполучає колагенові волокна, і забезпечує підтримання їх в нейтральному складчатом стані. Вхідний шар клапана (шлуночковий - для артеріальних клапанів і губчастий - для атріовентрикулярних) містить більшу кількість еластину, ніж вихідний, що забезпечує пом'якшення гідравлічного удару при закритті стулок. Цей взаємозв'язок між колагеном і еластином допускає розтягнення стулок до 40% без стійкої деформації. При впливі малого навантаження колагенові структури цього шару орієнтуються в напрямку навантаження, і опір його до подальшого зростання навантаження зростає.

Таким чином, уявлення про клапанах серця як про простої дупликатуре ендокарда є не тільки спрощеним, але і, по суті, хибним. Серцеві клапани - це орган зі складною структурою, що включає в себе поперечносмугасті м'язові волокна, кровоносні і лімфатичні судини, нервові елементи. Як за своєю будовою, так і щодо функціонування клапани складають єдине ціле з усіма структурами серця. Аналіз нормальної функції клапана повинен брати до уваги його клітинну організацію, а також взаємодія клітин між собою і матриксом. Знання, отримані в результаті таких досліджень, є провідними при проектуванні та розвитку протезування клапанів з використанням тканинної інженерії.