Entwicklung eines ex vivo Mitralklappen-Evaluierungsmodells unter Verwendung eines pulsierenden Strömungssimulators

Summary

Wir präsentieren ein ex vivo Modell für den Einbau von Lammmitralklappen in einen pulsierenden Simulator, um die Klappenfunktion unter physiologischen Bedingungen zu beurteilen. Dieser Aufbau ermöglicht die quantitative Beurteilung der Mitralklappendynamik anhand von biologischem Gewebe in einer reproduzierbaren, anatomisch genauen Konfiguration.

Abstract

Die chirurgische Reparatur der Mitralklappe ist nach wie vor ein anspruchsvoller Eingriff. Obwohl mehrere Reparaturtechniken definiert wurden, fehlen Daten, die ihre hämodynamischen Effekte vergleichen. Die kommerziell erhältlichen Pulsduplikatoren werden häufig verwendet, um die Durchblutung durch mechanische oder 3D-gedruckte Herzklappen zu simulieren. Aufgrund der spezifischen Struktur und des Wirkmechanismus der Mitralklappe erfordern die Experimente zu Operationstechniken jedoch die Verwendung von biologischem Gewebe. Ex-vivo-Lammmitralklappen eignen sich für solche Experimente, aber die Methoden zur Montage dieser Ventile an das Pulsduplikatorsystem (PDS) sind nicht genau definiert. Um dies zu beheben, haben wir das System durch 3D-Druck und Silikonspritzguss als Mitralklappenhalter modifiziert. Für jedes Experiment schnitten wir die Mitralklappe aus einem Lammherz heraus, einschließlich des Anulus und des Subvalvarapparates. Diese haben wir mit Hilfe des Silikonhalters in den Bereich der Mitralklappe des Prüfgeräts implantiert. Die Spannung der Papillenmuskulatur wurde simuliert, indem Nähte um die Chordae-Papillen-Verbindungen gebunden und diese Nähte durch das Auslöseloch am Boden der Ventrikelkammer geführt wurden. Die erste Erprobung der Klappenkompetenz erfolgte bei einer Herzfrequenz von 120 Schlägen pro Minute und einem Herzzeitvolumen von 2 L/min. Die Klappeninsuffizienz und der Druckgradient zwischen der Vorhof- und der Ventrikelkammer wurden mit Hilfe von Impulsduplikator-elektromagnetischen Durchflussmessern gemessen und mit Echokardiographie validiert. Die hämodynamischen Ausgangstests zeigten in fünf Experimenten eine konsistente Klappenfunktion mit einem mittleren Regurgitationsanteil von 21,1 % und echoabgeleiteten transmitralen Gradienten von 5,15 bis 8,13 mmHg. Das Schlagvolumen und die Peak-Flow-Raten variierten zwischen den Proben, was die physiologische Variabilität innerhalb des pädiatrischen Modells widerspiegelt.

Introduction

Die Mitralklappenreparatur hat sich erheblich weiterentwickelt, wobei moderne Operationstechniken eine verbesserte Wirksamkeit und verbesserte Langzeitergebnisse bieten¹. Obwohl viele Zentren über standardisierte Strategien zur Mitralreparatur verfügen, bleibt eine anhaltende Lücke in der umfassenden Bewertung der hämodynamischen Auswirkungen dieser Eingriffe². Die Optimierung von Reparaturstrategien, insbesondere für anatomisch komplexe oder pädiatrische Fälle, erfordert Modelle, die kontrollierte, wiederholbare physiologische Tests ermöglichen.

Das primäre Ziel dieser Studie war es, ein reproduzierbares ex vivo-Modell unter Verwendung biologischer Mitralklappen zu entwickeln, das eine präzise Beurteilung der Klappendynamik unter physiologischen Strömungsbedingungen ermöglicht. Pulsvervielfältigungssysteme haben das Gebiet der Klappenbiomechanik erheblich vorangetrieben, indem sie die Ex-vivo-Analyse der Klappenfunktion unter nahezu physiologischen Bedingungen erleichtern ^3,4,5. Diese Systeme wurden bei Aorten- und Pulmonalklappen und in jüngerer Zeit auch bei der Mitralklappe eingesetzt. Das Ziel für die Entwicklung dieser Technik ergibt sich jedoch aus der einzigartigen anatomischen und funktionellen Komplexität der Mitralklappe, insbesondere ihres subvalvulären Apparates, die biologisch genaue Modelle erfordert. Es gibt eine beträchtliche Menge an Literatur zu ex vivo Modellen der Mitralklappe; Keine dieser Studien liefert jedoch eine detaillierte Beschreibung der Entnahmetechnik oder hebt die kritischen Schritte hervor, die erforderlich sind, um die strukturelle Integrität der Mitralklappe und des Subvalvularapparates während der Extraktion zu erhalten ^6,7. Darüber hinaus fehlt es in der Literatur an praktischen Anleitungen, wie die exzidierte Klappe erfolgreich in ein Pulsvervielfältigungssystem integriert werden kann, was für eine physiologisch relevante hämodynamische Simulation unerlässlich ist.

In der Herzchirurgie bei Erwachsenen wurden verschiedene Reparaturtechniken anhand von Ex-vivo-Modellen bewertet, wie z. B. die Edge-to-Edge-Reparatur, der Sehnenersatz und die papilläre Approximation⁵. Diese Techniken haben wertvolle biomechanische Erkenntnisse geliefert. Im Gegensatz dazu sind pädiatrische Anwendungen nach wie vor wenig erforscht, da es nur begrenzte Ex-vivo-Studien gibt, die sich mit angeborenen Anomalien wie Mitralspalten befassen. Eine dieser Studien zeigte, wie wichtig ein vollständiger Spaltverschluss für die Wiederherstellung der Klappenkompetenz ist⁶.

Diese Methode eignet sich besonders für Forscher und Kliniker, die daran interessiert sind, die Reparaturergebnisse bei angeborenen oder komplexen Mitralklappenpathologien in einer kontrollierten Umgebung zu beurteilen. Durch die Entnahme des Mitralapparates aus Lammherzen, die aufgrund ihrer anatomischen Ähnlichkeit mit pädiatrischen Klappen ausgewählt wurden, und die Montage in einem speziellen Silikonhalter in einem pulsierenden Strömungssimulator repliziert das System eine realistische Hämodynamik und ermöglicht serielle Tests. Wichtig ist, dass dieses Modell Tierversuche vermeidet und eine anpassungsfähige Plattform für die Simulation von Regurgitation, Stenose, Spalte oder subvalvulärer Fusion^{bietet 8}.

Das Vivitro Pulsduplikator-System wurde in dieser Studie eingesetzt, um die Wirksamkeit einer Mitralklappe zu bewerten und die Herzfunktion zu simulieren. Der Vorgang begann mit der Aktivierung der Systemsoftware, gefolgt von der Auswahl der entsprechenden Wellenformparameter wie dem systolischen zu diastolischen Verhältnis, der Herzfrequenz (Schläge pro Minute) und der Wellenlänge. Anschließend wurde die Mitralklappe in die Prüfkammer des Duplizierers eingesetzt und alle erforderlichen Sensoren angeschlossen. Die Kalibrierdatei wurde geöffnet und gleichzeitig das System gestartet, um sicherzustellen, dass nach der Installation des Sensors die gesamte Luft von den Sensoren und den Schläuchen entfernt wurde. Um präzise Messungen zu gewährleisten, war es zwingend erforderlich, dass der gesamte Flüssigkeitskreislauf sauerstofffrei und vollständig mit Kochsalzlösung gefüllt ist. Im stationären Betrieb des Systems wurde das Hubvolumen auf 25 mL geändert. Die Datenerfassung begann mit der Aufzeichnung von 10 Zyklen, bei denen festgestellt wurde, dass das System keine Lecks oder Fehler aufwies. Die generierten Daten wurden dann zur weiteren Analyse in Tabellenkalkulationsformat exportiert. Eine quantitative Bewertung der Studie wurde durch die Fähigkeit des Systems erleichtert, die meisten der benötigten Parameter, einschließlich des Regurgitationsvolumens und mehrerer Druckmessungen, automatisch zu berechnen (Abbildung 1A).

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass dieses ex vivo-Modell einen standardisierten, biologisch relevanten Ansatz zur Untersuchung der Mitralklappenreparatur bietet, die Lücke zwischen In-silico-Modellierung und In-vivo-Tests schließt und den translationalen Wert chirurgischer Innovationen erweitert.

Protocol

Diese Studie wurde mit Lammherzen durchgeführt, die post mortem von einem lizenzierten Schlachthof gewonnen wurden. Gemäß der Entscheidung der Lokalen Ethikkommission für Tierversuche der Universität Istanbul-Cerrahpaşa (2025/11) fällt diese Arbeit unter die Ausnahmeregelung gemäß Artikel 8 (8-k1) der HADYEK-Richtlinie und bedurfte daher keiner ethischen Genehmigung.

1. Aufbau des Experiments

1. Duplizieren Sie die Mitraleinflusskomponente des Pulsduplikatorsystems mit Hilfe einer 3D-Modellierungssoftware. Erstellen Sie eine digitale Kopie der vorhandenen Geometrie, um die Kompatibilität sicherzustellen. Drucken Sie das Design mit PLA-Filament auf einem 3D-Drucker. Verwenden Sie die gedruckte Form, um die Silikoneinströmkammer zu gießen. Integrieren Sie das Silikonteil nach dem Aushärten in das System und stellen Sie sicher, dass es sicher sitzt und eine ordnungsgemäße Abdichtung beibehält (Abbildung 1B,C).
2. Besorge dir Lammherzen aus einem nahe gelegenen Schlachthof, wobei sofort darauf geachtet wird, dass die Herzen post mortem gewonnen werden, um ihren physiologischen Zustand zu erhalten. Lagern Sie die Herzen nach der Entnahme separat bei -20 °C in einem Gefrierschrank, um ihre strukturelle Integrität zu erhalten, oder verwenden Sie sie umgehend in experimentellen Verfahren.
   HINWEIS: Alle Experimente wurden unter angemessenen Sicherheitsvorkehrungen durchgeführt. Es wurden durchgehend Handschuhe und Hauben getragen, und alle chirurgischen Instrumente wurden nach jedem Gebrauch mit Alkohol sterilisiert.

2. Entnahme der Mitralklappe

1. Ventrikulotomie und Resektion des rechten Ventrikels und des Vorhofs
   1. Machen Sie mit einer chirurgischen Schere einen Querschnitt an der Spitze des Herzens. Verlängern Sie den Schnitt oberhalb des rechten Ventrikels entlang der interventrikulären Furche. Achten Sie darauf, dass die Papillenmuskulatur bei dieser Dissektion nicht verletzt wird. In Abbildung 2A - B finden Sie die Schnittbahn und die anatomischen Orientierungspunkte.
   2. Sezieren Sie die freie Wand des rechten Ventrikels mit einer chirurgischen Schere, um die Belichtung zu verlängern. Fahren Sie fort, indem Sie den rechten Vorhof en bloc exzentrieren, um das interventrikuläre Septum vollständig freizulegen. Diese Exposition ist entscheidend für die anschließende Dissektion der subzyklvulären Strukturen (Abbildung 3A,B).
2. Inzision des interventrikulären Septums (IVS)
   1. Visualisieren Sie die Mitralklappe von der Aortenwurzel in die linke Ventrikelhöhle. Identifizieren Sie das vordere Segel anhand seiner Ausrichtung unter der Aortenklappenebene. Stellen Sie sicher, dass das Segel vor dem Septumschnitt vollständig freigelegt wird (Abbildung 4A).
   2. Mit einer feinen chirurgischen Schere schneiden Sie die IVS an, beginnend an der Aortenwurzel an der kontralateralen Seite des vorderen Mitralsegels. Verlängern Sie den Schnitt entlang des Septums nach unten in Richtung des zuvor gemachten apikalen Schnitts. Öffnen Sie das Septum, um die linksventrikuläre Höhle freizulegen, ohne die subvalvulären Strukturen zu beschädigen (Abbildung 4B).
3. Papilläre Muskeldissektion
   1. Legen Sie den linken Ventrikel frei und entfernen Sie die Papillarmuskulatur mit einer feinen Schere. Die Chordae tendineae werden erhalten, um die Funktionalität der Mitralklappe zu erhalten (Abbildung 4C).
4. Exzision des linken Vorhofs
   1. Exzidieren Sie das linke Vorhofohr umlaufend, um die Sichtbarkeit des Mitralanulus von oben zu verbessern (Abbildung 5A,B).
   2. Verlagern Sie die Papillarmuskeln durch den linken Vorhof nach oben, um die Mitralklappe zu invertieren und sie sicher von der ventrikulären Oberfläche für die Exzision freizulegen (Abbildung 6A).
   3. Schneiden Sie überschüssiges Gewebe um den Mitralring herum ab und stellen Sie sicher, dass mindestens 10 mm Gewebe im Umfang erhalten bleiben, um die anatomische Integrität und Funktion zu erhalten (Abbildung 6B).
5. Entnahme von Lungen- und Aortengewebe
   1. Entfernen Sie sämtliches restliches Gewebe aus der Aorta und der Lungenarterie, um eine Beeinträchtigung des Platzierens des Mitralapparates in der Silikonform zu vermeiden.

3. Einsetzen der Mitralklappe in die Silikonform

1. Messungen der Mitralklappe
   1. Messen Sie die Längen der vorderen und hinteren Mitralklappensegel entlang der anteroposterioren Achse, um die Abmessungen der Segel zu beurteilen (Abbildung 7A,B).
   2. Erfassen Sie die Länge der Mitralklappe entlang der mediolateralen Achse, um sie für die anschließende Formanpassung und Dimensionsanalyse zu verwenden (Abbildung 7C).
   3. Schätzen Sie die kraniokaudale Länge der Koaptationszone auf etwa 1/^{4 der} anteroposterioren Länge des hinteren Segels. Messen Sie diesen Abstand, um die Überlappung der Beiblätter und die Siegelkapazität zu beurteilen.
   4. Verwenden Sie die gemessenen Abmessungen, um den entsprechenden ringförmigen Retentionsrand zu berechnen. Wählen Sie eine 30 mm Silikonform, um eine optimale Passform und Stabilisierung des Mitralapparates zu gewährleisten (Abbildung 8A). Verwenden Sie die folgenden Gleichungen:
      a = (30-x)/2
      Wobei a = der Abstand ist, der von Kommissuren gelassen werden sollte; x = die gemessene Länge der medial-lateralen Achse.
      b = (30 - z y) /2−geschätzte ZC-Länge
      Dabei steht b = für den verbleibenden Abstand im vorderen und hinteren Segel; y = die Länge des hinteren Segels; z = die Länge des vorderen Segels.
   5. Verbinden Sie nach den Messungen alle Punkte zu einem durchgehenden kreisförmigen Umriss, der den Bereich darstellt, der auf die Silikonform genäht werden soll (Abbildung 8B).
2. Gewebebefestigung und Befestigung von Chordae tendineae
   1. Montieren Sie das Mitralklappengewebe auf eine Silikonform und verwenden Sie 16-U-Nähte, um den Anulus zu sichern und seine anatomische Positionierung beizubehalten (Abbildung 9A).
   2. Binden Sie die Chordae tendineae an den Ansatzpunkten der Papillenmuskulatur mit 2-0 beschichteten geflochtenen Polyesternähten zusammen.
   3. Führen Sie die Nähte durch das Auslöseloch an der Basis der Ventrikelkammer und befestigen Sie sie, um eine physiologische Spannung der Papillenmuskulatur zu simulieren. Die Segelspannung wurde visuell angepasst, um sicherzustellen, dass die Flügelränder mit der Ebene des Ringraums ausgerichtet blieben und nicht über diesen hinausragten. (Abbildung 9B).
   4. Positionieren Sie die Nähte unter maximaler Spannung am linksventrikulären Lochtrakt des PDS, um eine Stabilisierung der Mitralklappe zu gewährleisten, ohne eine Verschiebung zu induzieren (Abbildung 10A,B).

4. Erste Tests (Baseline-Modell)

1. Platzieren Sie das vorbereitete Mitralklappenmodell in den pulsierenden Strömungssimulator für hämodynamische Basistests. Stellen Sie das System auf pädiatriephysiologische Bedingungen ein: eine Herzfrequenz von 120 Schlägen pro Minute und ein Herzzeitvolumen von 2,0 l/min.
2. Füllen Sie das Impulskopiersystem mit Kochsalzlösung und stellen Sie sicher, dass der gesamte Kreislauf frei von Luftblasen ist, um genaue Druck- und Durchflussmessungen zu gewährleisten.
3. Stellen Sie das Impulsduplikatorsystem vor der Initialisierung auf Null, um sicherzustellen, dass alle nachfolgenden Messungen genau sind.
4. Initialisieren Sie das System, und sobald das gewünschte Schlagvolumen erreicht ist, klicken Sie auf Erfassen , um die hämodynamischen Messungen aufzuzeichnen.
5. Beurteilen Sie die Mitralklappenfunktion anhand echokardiographischer Bildgebung aus der oberen und transparenten Vorhofkammer, um Parameter wie den transmitralen Gradienten und den Schweregrad der Regurgitation zu beurteilen und so eine umfassende funktionelle Beurteilung des Klappenmodells zu gewährleisten (Abbildung 10C).

Results

Hämodynamische Ausgangsdaten wurden aus fünf ex vivo-Experimenten mit nativen Mitralklappen gewonnen, die in einem kundenspezifischen Silikonhalter in einem Pulsduplikatorsystem montiert waren. Das Modell wurde unter standardisierten pädiatrischen physiologischen Bedingungen perfundiert (Herzzeitvolumen: 2 L/min; HR: 120 bpm) und funktionelle Bewertungen wurden mit Druckwandlern und echokardiographischer Bildgebung durchgeführt.

Der Regurgitationsanteil lag zwischen 15,9 % und 26,6 %,...

Discussion

Das Ziel dieser Studie war es, ein Modell zu entwickeln, das die Mitralklappe im pädiatrischen hämodynamischen Zustand repliziert, was uns bei der Verwendung von Lammherzen als experimentelle Grundlage leitete. Diese Auswahl wurde durch die große Ähnlichkeit in den Abmessungen zwischen der Mitralklappe des Lammes und der von pädiatrischen Patienten bestimmt. Anatomisch gesehen weist das Lammherz im Vergleich zum menschlichen Herzen eine stärker ventral geneigte Ausrichtung entlang seiner...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
2-0 Beschichtete geflochtene Polyesternaht	Covidien	88863230-56	Stabilisierung der Papillarmuskulatur während des Tests
3D-Drucker	Ultimaker	Ultimaker S3	Wird zur Herstellung von kundenspezifischen Silikonformen verwendet
5-0 Monofil Polypropylen-Naht, doppelarmiges	Covidien	VPF-720-X	Naht des Ventils an die Silikonform
DeBakey Atraumatische Pinzette	Aesculap	MB062R	Handhabung des Gewebes während der Dissektion
Frisches Lammherzen	Lizenzierter Schlachthof	–	Quelle der nativen Mitralklappen
Mayo Dissektionsschere	Aesculap	BC252B	Allgemeine Herzdissektion
Mikronadelhalter	Aesculap	FM538R	Nähen der Mitralklappe
Nelson-Metzenbaum Schere	Aesculap	BC606R	Wird zum Schneiden von Nähten verwendet
Pulsduplikator System	ViVitro Labs	18363	Simulierte physiologische Strömung für die Ventilprüfung
Silikonformen	–	Kundenspezifisch	Wird zur Replikation der ventrikulären Geometrie verwendet
Sterile Kochsalzlösung (0,9 %)	Elabscience	PB180353	Medium für den Perfusionskreislauf