Sviluppo di un modello di valutazione della valvola mitrale ex vivo utilizzando un simulatore di flusso pulsatile

Summary

Presentiamo un modello ex vivo per il montaggio delle valvole mitraliche di agnello in un simulatore pulsatile per valutare la funzione della valvola in condizioni fisiologiche. Questa configurazione consente la valutazione quantitativa della dinamica della valvola mitrale utilizzando tessuti biologici in una configurazione riproducibile e anatomicamente accurata.

Abstract

La riparazione chirurgica della valvola mitrale rimane una procedura impegnativa. Sebbene siano state definite diverse tecniche di riparazione, mancano dati che ne confrontino gli effetti emodinamici. I duplicatori di impulsi disponibili in commercio sono comunemente usati per simulare la circolazione sanguigna attraverso valvole cardiache meccaniche o stampate in 3D. Tuttavia, a causa della specifica struttura e del meccanismo di funzionamento della valvola mitrale, gli esperimenti sulle tecniche chirurgiche richiedono l'uso di tessuti biologici. Le valvole mitraliche di agnello ex vivo sono adatte per tali esperimenti, ma i metodi per il montaggio di queste valvole sul sistema di duplicazione di impulsi (PDS) non sono ben definiti. Per risolvere questo problema, abbiamo modificato il sistema mediante stampa 3D e stampaggio in silicone come supporto per valvola mitrale. Abbiamo asportato la valvola mitrale da un cuore di agnello per ogni esperimento, compreso l'anulus e l'apparato sottovalvolare. Lo abbiamo impiantato nell'area della valvola atrioventricolare (mitralica) della macchina di prova utilizzando il supporto in silicone. La tensione muscolare papillare è stata simulata legando suture attorno alle giunzioni cordae-papillari e facendo passare queste suture attraverso il foro di rilascio nella parte inferiore della camera ventricolare. Il test iniziale della competenza valvolare è stato condotto a una frequenza cardiaca di 120 battiti al minuto e a una gittata cardiaca di 2 L/min. Il rigurgito valvolare e il gradiente di pressione tra la camera atriale e quella ventricolare sono stati misurati utilizzando flussimetri elettromagnetici a duplicatore di impulsi e convalidati con ecocardiografia. I test emodinamici di base hanno dimostrato una funzione valvolare costante in cinque esperimenti, con una frazione media di rigurgito del 21,1% e gradienti di trasmissione derivati dall'eco compresi tra 5,15 e 8,13 mmHg. I volumi di sitteria e le velocità di flusso di picco variavano tra i campioni, riflettendo la variabilità fisiologica all'interno del modello pediatrico.

Introduction

La riparazione della valvola mitrale si è evoluta in modo significativo, con le tecniche chirurgiche contemporanee che offrono una maggiore efficacia e migliori risultati a lungo termine¹. Sebbene molti centri abbiano standardizzato le strategie di riparazione mitralica, rimane una lacuna persistente nella valutazione completa dell'impatto emodinamico di questi interventi². L'ottimizzazione delle strategie di riparazione, in particolare per i casi anatomicamente complessi o pediatrici, richiede modelli che consentano test fisiologici controllati e ripetibili.

L'obiettivo principale di questo studio è stato quello di sviluppare un modello ex vivo riproducibile utilizzando valvole mitraliche biologiche, consentendo una valutazione precisa della dinamica delle valvole in condizioni di flusso fisiologico. I sistemi di duplicazione di impulsi hanno fatto progredire in modo significativo il campo della biomeccanica valvolare facilitando l'analisi ex vivo della funzione valvolare in condizioni quasi fisiologiche ^3,4,5. Questi sistemi sono stati applicati alle valvole aortiche e polmonari e, più recentemente, alla valvola mitrale. Tuttavia, l'obiettivo dello sviluppo di questa tecnica deriva dalla complessità anatomica e funzionale unica della valvola mitrale, in particolare del suo apparato sottovalvolare, che richiede modelli biologicamente accurati. Esiste una consistente letteratura sui modelli ex vivo della valvola mitrale; Tuttavia, nessuno di questi studi fornisce una descrizione dettagliata della tecnica di prelievo o evidenzia i passaggi critici necessari per preservare l'integrità strutturale della valvola mitrale e dell'apparato sottovalvolare durante l'estrazione ^6,7. Inoltre, la letteratura manca di una guida pratica su come integrare con successo la valvola asportata in un sistema di duplicazione di impulsi, che è essenziale per ottenere una simulazione emodinamica fisiologicamente rilevante.

Nella cardiochirurgia dell'adulto, diverse tecniche di riparazione sono state valutate utilizzando modelli ex vivo , come la riparazione da bordo a bordo, la sostituzione cordale e l'approssimazione papillare⁵. Queste tecniche hanno prodotto preziose intuizioni biomeccaniche. Al contrario, le applicazioni pediatriche rimangono poco esplorate, con solo limitati studi ex vivo che affrontano anomalie congenite come la schisi mitralica. Uno di questi studi ha dimostrato l'importanza della chiusura completa della schisi per ripristinare la competenza valvolare⁶.

Questo metodo è particolarmente appropriato per ricercatori e clinici interessati a valutare i risultati di riparazione per patologie congenite o complesse della valvola mitrale in un ambiente controllato. Prelevando l'apparato mitralico da cuori di agnello, scelti per la loro somiglianza anatomica con le valvole pediatriche, e montandoli in un supporto in silicone personalizzato all'interno di un simulatore di flusso pulsatile, il sistema replica l'emodinamica realistica e consente test seriali. È importante sottolineare che questo modello evita la sperimentazione su animali vivi e fornisce una piattaforma adattabile per simulare rigurgito, stenosi, schisi o fusione sottovalvolare⁸.

Il sistema duplicatore di impulsi Vivitro è stato impiegato in questo studio per valutare l'efficacia di una valvola mitrale e simulare la funzione cardiaca. La procedura è iniziata con l'attivazione del software del sistema, seguita dalla selezione dei parametri appropriati della forma d'onda, come il rapporto sistolico-diastolico, la frequenza cardiaca (battiti al minuto) e la lunghezza d'onda. La valvola mitrale è stata successivamente inserita nella camera di prova del duplicatore e sono stati collegati tutti i sensori necessari. Il file di calibrazione è stato aperto e il sistema è stato avviato contemporaneamente per garantire che tutta l'aria fosse rimossa dai sensori e dai tubi dopo l'installazione del sensore. Al fine di garantire misure precise, era imperativo che l'intero circuito del fluido fosse privo di ossigeno e interamente riempito con soluzione salina. Quando il sistema era in funzionamento stazionario, la gittata sistolica veniva modificata a 25 mL. L'acquisizione dei dati è iniziata registrando 10 cicli in cui il sistema è risultato privo di perdite o errori. I dati generati sono stati poi esportati in formato foglio di calcolo per ulteriori analisi. Una valutazione quantitativa dello studio è stata facilitata dalla capacità del sistema di calcolare automaticamente la maggior parte dei parametri necessari, tra cui il volume di rigurgito e diverse misurazioni della pressione (Figura 1A).

In sintesi, questo modello ex vivo offre un approccio standardizzato e biologicamente rilevante allo studio della riparazione della valvola mitrale, colmando il divario tra la modellazione in silico e i test in vivo e ampliando il valore traslazionale dell'innovazione chirurgica.

Protocol

Questo studio è stato condotto utilizzando cuori di agnello ottenuti post-mortem da un macello autorizzato. Secondo la decisione del Comitato etico locale per gli esperimenti sugli animali dell'Università di Istanbul-Cerrahpaşa (2025/11), questo lavoro rientra nell'esenzione delineata nell'articolo 8 (8-k1) della direttiva HADYEK e quindi non richiedeva l'approvazione etica.

1. Configurazione dell'esperimento

1. Duplicare il componente di afflusso mitralico del sistema di duplicazione degli impulsi utilizzando il software di modellazione 3D. Crea una copia digitale della geometria esistente per garantire la compatibilità. Stampa il disegno utilizzando il filamento PLA su una stampante 3D. Utilizzare lo stampo stampato per fondere la camera di afflusso in silicone. Dopo l'indurimento, integrare la parte in silicone nel sistema, assicurandosi che si adatti saldamente e mantenga una tenuta adeguata (Figura 1B, C).
2. Procurati i cuori di agnello da un macello vicino, prestando immediatamente attenzione a garantire che i cuori fossero ottenuti post-mortem per preservarne lo stato fisiologico. Dopo la raccolta, conservare i cuori separatamente a -20 °C in congelatore per mantenerne l'integrità strutturale, oppure utilizzarli prontamente nelle procedure sperimentali.
   NOTA: Tutti gli esperimenti sono stati condotti con le dovute precauzioni di sicurezza. Guanti e cappucci sono stati utilizzati per tutto il tempo e tutti gli strumenti chirurgici sono stati sterilizzati con alcol dopo ogni utilizzo.

2. Prelievo della valvola mitrale

1. Ventricolotomia e resezione del ventricolo destro e dell'atrio
   1. Praticare un'incisione trasversale all'apice del cuore usando le forbici chirurgiche. Estendere l'incisione superiormente verso il ventricolo destro lungo il solco interventricolare. Fare attenzione a non ferire i muscoli papillari durante questa dissezione. Fare riferimento alla Figura 2A - B per la traiettoria dell'incisione e i punti di riferimento anatomici.
   2. Resecare la parete libera del ventricolo destro utilizzando le forbici chirurgiche per prolungare l'esposizione. Continuare asportando l'atrio destro in blocco per esporre completamente il setto interventricolare. Questa esposizione è fondamentale per la successiva dissezione delle strutture sottovalvolari (Figura 3A, B).
2. Incisione del setto interventricolare (IVS)
   1. Visualizzare la valvola mitrale dalla radice aortica alla cavità ventricolare sinistra. Identificare il lembo anteriore in base al suo orientamento sotto il piano della valvola aortica. Assicurarsi che il lembo sia completamente esposto prima dell'incisione del setto nasale (Figura 4A).
   2. Utilizzando le forbici chirurgiche sottili, incidere l'IVS, iniziando dalla radice aortica sul lato controlaterale del lembo mitralico anteriore. Estendere l'incisione verso il basso lungo il setto verso il taglio apicale precedentemente effettuato. Aprire il setto per esporre la cavità ventricolare sinistra senza danneggiare le strutture sottovalvolari (Figura 4B).
3. Dissezione muscolare papillare
   1. Esporre il ventricolo sinistro e asportare i muscoli papillari usando le forbici sottili. Preservare le corde tendinee per mantenere la funzionalità della valvola mitrale (Figura 4C).
4. Escissione dell'atrio sinistro
   1. Asportare l'appendice atriale sinistra circonferenzialmente per migliorare la visualizzazione dell'anulus mitralico dall'alto (Figura 5A, B).
   2. Traslocare i muscoli papillari verso l'alto attraverso l'atrio sinistro per invertire la valvola mitrale ed esporli in sicurezza dalla superficie ventricolare per l'escissione (Figura 6A).
   3. Tagliare il tessuto in eccesso che circonda l'anulus mitralico, assicurandosi che almeno 10 mm di tessuto siano preservati circonferenzialmente per mantenere l'integrità e la funzione anatomica (Figura 6B).
5. Rimozione del tessuto polmonare e aortico
   1. Rimuovere il tessuto rimanente dall'aorta e dall'arteria polmonare per evitare interferenze con il posizionamento dell'apparato mitralico nello stampo in silicone.

3. Posizionamento della valvola mitrale nello stampo in silicone

1. Misure della valvola mitrale
   1. Misurare le lunghezze dei lembi della valvola mitrale anteriore e posteriore lungo l'asse anteroposteriore per valutare le dimensioni dei lembi (Figura 7A, B).
   2. Registrare la lunghezza della valvola mitrale lungo l'asse mediolaterale per l'utilizzo nel successivo montaggio dello stampo e nell'analisi dimensionale (Figura 7C).
   3. Stimare la lunghezza cranio-caudale della zona di coaptazione come circa 1/^{4 della lunghezza} anteroposteriore del lembo posteriore. Misurare questa distanza per valutare la sovrapposizione dei lembi e la capacità di sigillatura.
   4. Utilizzare le dimensioni misurate per calcolare il margine di ritenzione anulare appropriato. Selezionare uno stampo in silicone da 30 mm per garantire un adattamento e una stabilizzazione ottimali dell'apparato mitralico (Figura 8A). Usa le equazioni seguenti:
      a = (30-x)/2
      Dove a = la distanza che dovrebbe essere lasciata dalle commessure; x = la lunghezza misurata dell'asse mediale-laterale.
      b = (30 - z y) /2−lunghezza ZC stimata
      Dove b = rappresenta la distanza residua rimasta nel lembo anteriore e posteriore; y = la lunghezza del lembo posteriore; z = la lunghezza del lembo anteriore.
   5. Dopo le misurazioni, collegare tutti i punti in modo da formare un contorno circolare continuo, che rappresenti l'area da suturare sullo stampo in silicone (Figura 8B).
2. Montaggio dei tessuti e attacco delle corde tendinee
   1. Montare il tessuto della valvola mitrale su uno stampo in silicone, utilizzando 16 suture a U per fissare l'anulus e mantenerne il posizionamento anatomico (Figura 9A).
   2. Legare le corde tendinee nei punti di inserzione dei muscoli papillari utilizzando suture intrecciate in poliestere rivestite 2-0.
   3. Far passare le suture attraverso il foro di rilascio alla base della camera ventricolare e fissarle per simulare la fisiologica tensione muscolare papillare. La tensione del lembo è stata regolata visivamente per garantire che i bordi del lembo rimanessero allineati con il piano dell'anulus e non sporgessero al di sopra di esso. (Figura 9B).
   4. Posizionare le suture sotto la massima tensione nel tratto del foro ventricolare sinistro del PDS, assicurando la stabilizzazione della valvola mitrale senza indurre lo spostamento (Figura 10A, B).

4. Test iniziali (modello di base)

1. Posizionare il modello preparato della valvola mitrale nel simulatore di flusso pulsatile per il test emodinamico di base. Impostare il sistema sulle condizioni fisiologiche pediatriche: una frequenza cardiaca di 120 battiti al minuto e una gittata cardiaca di 2,0 L/min.
2. Riempire il sistema di duplicazione di impulsi con soluzione fisiologica, assicurandosi che l'intero circuito sia privo di bolle d'aria per mantenere misurazioni accurate di pressione e flusso.
3. Azzerare il sistema di duplicazione degli impulsi prima dell'inizializzazione per garantire che tutte le misurazioni successive siano accurate.
4. Inizializzare il sistema e, una volta raggiunto il volume sicyclette desiderato, fare clic su Acquisisci per registrare le misurazioni emodinamiche.
5. Valutare la funzione della valvola mitrale utilizzando l'imaging ecocardiografico dalla camera atriale superiore e trasparente per valutare parametri come il gradiente di trasmissione e la gravità del rigurgito, garantendo una valutazione funzionale completa del modello valvolare (Figura 10C).

Results

I dati emodinamici di base sono stati ottenuti da cinque esperimenti ex vivo utilizzando valvole mitraliche native montate in un supporto in silicone personalizzato all'interno di un sistema di duplicazione di impulsi. Il modello è stato perfuso in condizioni fisiologiche pediatriche standardizzate (gittata cardiaca: 2 L/min; HR: 120 bpm) e le valutazioni funzionali sono state eseguite utilizzando trasduttori di pressione e imaging ecocardiografico.

La frazione di rigurgito variava da...

Discussion

L'obiettivo di questo studio è stato quello di sviluppare un modello che replicasse la valvola mitrale in stato emodinamico pediatrico, che ha guidato la nostra scelta di utilizzare i cuori di agnello come base sperimentale. Questa selezione è stata guidata dalla stretta somiglianza nelle dimensioni tra la valvola mitrale di agnello e quella dei pazienti pediatrici. Anatomicamente, il cuore di agnello mostra un orientamento più inclinato ventralmente lungo il suo asse longitudinale rispe...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Sutura in poliestere intrecciato rivestito 2-0	Covidien	88863230-56	Stabilizzazione dei muscoli papillari durante i test
Stampante 3D	Ultimaker Ultimaker	S3	Utilizzato per la fabbricazione di stampi in silicone personalizzati
5-0 Sutura in polipropilene monofilamento,	Covidien	VPF-720-X	Sutura della valvola allo stampo in silicone
Pinze	atraumatiche DeBakeyAesculap	MB062R	Manipolazione dei tessuti durante la dissezione
Macello autorizzato	con cuori di agnello freschi	...	Fonte di valvole mitraliche native
Forbici per dissezione Mayo	Aesculap	BC252B	Dissezione cardiaca generale
Micro Needle Holder	Aesculap	FM538R	Sutura della valvola mitrale
Forbici Nelson-Metzenbaum	Aesculap	BC606R	Utilizzato per il taglio della sutura
Sistema di duplicazione di impulsi	ViVitro Labs	18363	Flusso fisiologico simulato per il test delle valvole
Stampi in silicone	—	Fabbricato su misura	Utilizzato per replicare la geometria ventricolare
Soluzione salina sterile (0,9%)	Elabscience	PB180353	Medium per circuito di perfusione