박동성 유동 시뮬레이터를 사용한 Ex vivo 승모판 평가 모델 개발

Summary

우리는 생리학적 조건에서 판막 기능을 평가하기 위해 박동 시뮬레이터에 양고기 승모판막을 장착하기 위한 생체 외 모델을 제시합니다. 이 설정을 통해 재현 가능하고 해부학적으로 정확한 구성에서 생물학적 조직을 사용하여 승모판 역학을 정량적으로 평가할 수 있습니다.

Abstract

승모판 수술은 여전히 어려운 절차입니다. 몇 가지 복원 기술이 정의되었지만 혈역학적 효과를 비교하는 데이터는 부족합니다. 시중에서 판매되는 맥박 복사기는 일반적으로 기계식 또는 3D 프린팅 심장 판막을 통한 혈액 순환을 시뮬레이션하는 데 사용됩니다. 그러나 승모판막의 특정 구조와 작동 메커니즘으로 인해 수술 기법에 대한 실험에는 생물학적 조직을 사용해야 합니다. 생체 외 양승모판막은 이러한 실험에 적합하지만, 이러한 판막을 펄스 복사기 시스템(PDS)에 장착하는 방법은 잘 정의되어 있지 않습니다. 이 문제를 해결하기 위해 3D 프린팅과 실리콘 몰딩을 통해 승모판 홀더로 시스템을 수정했습니다. 우리는 각 실험에서 양 심장의 고리와 판막하 장치를 포함하여 승모판막을 절제했습니다. 우리는 이것을 실리콘 홀더를 사용하여 테스트 기계의 방실(승모판) 판막 영역에 이식했습니다. 유두근 긴장은 맥락막-유두 접합부 주위에 봉합사를 묶고 이러한 봉합사를 심실실 바닥의 방출 구멍을 통해 통과시킴으로써 시뮬레이션되었습니다. 판막 역량에 대한 초기 테스트는 분당 120회의 심박수와 2L/분의 심박출량으로 수행되었습니다. 판막 역류와 심방과 심실 사이의 압력 구배는 펄스 복사기 전자기 유량계를 사용하여 측정하고 심초음파로 검증했습니다. 기준선 혈류역학 검사는 5가지 실험에서 평균 역류 비율이 21.1%이고 반향 유래 전달 구배가 5.15mmHg에서 8.13mmHg 범위로 일관된 판막 기능을 보여주었습니다. 뇌졸중 수와 최대 유속은 표본마다 달랐으며, 이는 소아 모델 내의 생리학적 다양성을 반영합니다.

Introduction

승모판 복원술은 크게 발전해 왔으며, 현대 수술 기법은 효능을 높이고 장기적으로 결과를 개선했습니다¹. 많은 센터가 표준화된 승모판 복원 전략을 가지고 있지만, 이러한 중재의 혈역학적 영향에 대한 포괄적인 평가에는 지속적인 격차가 남아 있습니다². 특히 해부학적으로 복잡하거나 소아과 사례에 대한 복원 전략을 최적화하려면 통제되고 반복 가능한 생리학적 테스트를 허용하는 모델이 필요합니다.

이 연구의 주요 목적은 생물학적 승모판막을 사용하여 재현 가능한 체외 모델을 개발하여 생리학적 흐름 조건에서 판막 역학을 정밀하게 평가할 수 있도록 하는 것이었습니다. 펄스 복사기 시스템은 생리학에 가까운 조건에서 판막 기능의 생체 외 분석을 용이하게 함으로써 판막 생체 역학 분야를 크게 발전시켰습니다 ^3,4,5. 이 시스템은 대동맥 및 폐 판막에 적용되었으며, 최근에는 승모판막에 적용되었습니다. 그러나 이 기술을 개발하기 위한 목적은 승모판막, 특히 판막하 장치의 고유한 해부학적 및 기능적 복잡성에서 비롯되며, 이는 생물학적으로 정확한 모델을 필요로 합니다. 승모판막의 체외 모델에 대한 상당한 양의 문헌이 존재합니다. 그러나 이러한 연구 중 어느 것도 채취 기술에 대한 자세한 설명을 제공하지 않으며, 발치 중 승모판막과 판막하 장치의 구조적 무결성을 보존하는 데 필요한 중요한 단계를 강조하지 않습니다 ^6,7. 더욱이, 문헌에는 절제된 판막을 펄스 복사기 시스템에 성공적으로 통합하는 방법에 대한 실용적인 지침이 부족하며, 이는 생리학적으로 관련된 혈역학 시뮬레이션을 달성하는 데 필수적입니다.

성인 심장 수술의 경우, 체외 모델을 사용하여 가장자리 간 복원술, 척추 치환술, 유두 근사와 같은 여러 복원 기법을 평가했다⁵. 이러한 기술은 귀중한 생체 역학적 통찰력을 제공했습니다. 반면, 소아과 응용 분야는 아직 연구되지 않았으며, 승모판 구순구개열과 같은 선천적 기형을 다루는 생체 외 연구는 제한적입니다. 이러한 연구 중 하나는 판막 역량을 회복하기 위해 완전한 구순구개열의 중요성을 입증했다⁶.

이 방법은 통제된 환경에서 선천성 또는 복잡한 승모판 병리에 대한 복구 결과를 평가하는 데 관심이 있는 연구자와 임상의에게 특히 적합합니다. 소아 판막과 해부학적으로 유사하기 때문에 선택된 양 심장에서 승모판을 채취하여 박동 흐름 시뮬레이터 내의 맞춤형 실리콘 홀더에 장착함으로써 이 시스템은 사실적인 혈류역학을 복제하고 연속 테스트를 가능하게 합니다. 중요한 것은 이 모델이 살아있는 동물 실험을 피하고 역류, 협착증, 구순구개열 또는 판막하 융합을 시뮬레이션하기 위한 적응 가능한 플랫폼을 제공한다는 것입니다⁸.

이 연구에서는 승모판막의 효능을 평가하고 심장 기능을 시뮬레이션하기 위해 Vivitro Pulse Duplicator System을 사용했습니다. 절차는 시스템 소프트웨어를 활성화하는 것으로 시작되었으며, 그 다음에는 수축기 대 이완기 비율, 심박수(분당 박동수) 및 파장과 같은 적절한 파형 매개변수를 선택했습니다. 이후 승모판막을 복사기의 테스트 챔버에 삽입하고 필요한 모든 센서를 연결했습니다. 보정 파일이 열렸고, 센서가 설치된 후 센서와 튜브에서 모든 공기가 제거되었는지 확인하기 위해 시스템이 동시에 시작되었습니다. 정확한 측정을 보장하기 위해서는 전체 유체 회로에 산소가 없고 완전히 식염수로 채워져야 했습니다. 시스템이 정상 작동 중일 때 스트로크 부피가 25mL로 변경되었습니다. 데이터 수집은 시스템에 누수나 오류가 없는 것으로 확인되었을 때 10개의 사이클을 기록하는 것으로 시작되었습니다. 생성된 데이터는 추가 분석을 위해 스프레드시트 형식으로 내보내졌습니다. 연구에 대한 정량적 평가는 역류 부피 및 여러 압력 측정을 포함하여 필요한 대부분의 매개변수를 자동으로 계산하는 시스템의 기능으로 인해 더 쉬워졌습니다(그림 1A).

요약하면, 이 생체 외 모델은 승모판 복원을 연구하고, 인실리코 모델링과 생체 내 테스트 간의 격차를 해소하고, 수술 혁신의 중개 가치를 확장하기 위한 표준화되고 생물학적으로 관련된 접근 방식을 제공합니다.

Protocol

이 연구는 허가된 도살장에서 사후 얻은 양고기 심장을 사용하여 수행되었습니다. Istanbul University-Cerrahpaşa 동물 실험을 위한 지역 윤리 위원회(2025/11)의 결정에 따르면 이 작업은 HADYEK 지침의 조항 8(8-k1)에 설명된 면제에 해당하므로 윤리적 승인이 필요하지 않습니다.

1. 실험 설정

1. 3D 모델링 소프트웨어를 사용하여 펄스 복사기 시스템의 승모판 유입 구성 요소를 복제합니다. 호환성을 보장하기 위해 기존 형상의 디지털 사본을 작성합니다. 3D 프린터에서 PLA 필라멘트를 사용하여 설계를 인쇄합니다. 인쇄된 금형을 사용하여 실리콘 유입 챔버를 주조합니다. 경화 후 실리콘 부품을 시스템에 통합하여 단단히 고정되고 적절한 밀봉이 유지되는지 확인합니다(그림 1B, C).
2. 인근 도살장에서 양고기 심장을 조달하고, 생리적 상태를 보존하기 위해 사후 심장을 확보하는 데 즉각적인 주의를 기울입니다. 채취 후에는 -20°C의 냉동고에 심장을 따로 보관하여 구조적 무결성을 유지하거나 실험 절차에 즉시 활용하십시오.
   참고: 모든 실험은 적절한 안전 예방 조치 하에 수행되었습니다. 장갑과 두건이 전체적으로 사용되었으며, 모든 수술 기구는 사용 후 알코올로 소독했습니다.

2. 승모판 적출

1. 심실 절개술과 우심실 및 심방 절제
   1. 수술용 가위를 사용하여 심장 정점을 가로 절개합니다. 심실 홈을 따라 우심실 쪽으로 절개 부위를 우상으로 확장한다. 이 박리 중 유두 근육이 다치지 않도록 주의하십시오. 그림 2A - B 를 참조하여 절개 궤적과 해부학적 랜드마크를 확인하십시오.
   2. 노출을 연장하기 위해 수술용 가위를 사용하여 우심실의 자유벽을 절제합니다. 계속해서 우심방을 일괄적으로 절제하여 심실 중격을 완전히 노출시킵니다. 이러한 노출은 판막하 구조의 후속 해부에 매우 중요합니다(그림 3A,B).
2. 심실 중격 절개(IVS)
   1. 대동맥근에서 좌심실강으로 가는 승모판막을 시각화합니다. 대동맥 판막 평면 아래의 방향에 따라 앞쪽 첨판을 식별합니다. 중격 절개 전에 첨판이 완전히 노출되도록 합니다(그림 4A).
   2. 미세한 수술용 가위를 사용하여 전방 승모판의 반대쪽 대동맥 뿌리에서 시작하여 IVS를 절개합니다. 절개 부위를 중격을 따라 이전에 만든 정점 절개 부위를 향해 아래쪽으로 뻗습니다. 판막하 구조를 손상시키지 않고 좌심실을 노출시키기 위해 중격을 엽니다(그림 4B).
3. 유두근 절제
   1. 좌심실을 노출시키고 가늘게 가위를 사용하여 유두근을 절제합니다. 승모판 기능을 유지하기 위해 척삭 건을 보존합니다(그림 4C).
4. 좌심방 절제술
   1. 위에서 승모판 고리의 시각화를 개선하기 위해 좌심방 부속기를 원주방향으로 절제합니다(그림 5A, B).
   2. 좌심방을 통해 유두근을 위쪽으로 전위시켜 승모판막을 역전시키고 절제를 위해 심실 표면에서 안전하게 노출시킵니다(그림 6A).
   3. 승모판 고리를 둘러싼 여분의 조직을 잘라내고, 해부학적 무결성과 기능을 유지하기 위해 최소 10mm의 조직이 원주방향으로 보존되도록 합니다(그림 6B).
5. 폐 및 대동맥 조직 제거
   1. 대동맥과 폐동맥에 남아 있는 조직을 제거하여 승모판을 실리콘 몰드에 배치하는 데 방해가 되지 않도록 합니다.

3. 승모판을 실리콘 몰드에 삽입

1. 승모판 측정
   1. 전후 축을 따라 전방 및 후방 승모판 첨판의 길이를 측정하여 첨판 치수를 평가합니다(그림 7A, B).
   2. 후속 금형 피팅 및 치수 분석에 사용하기 위해 중간 축을 따라 승모판막의 길이를 기록합니다(그림 7C).
   3. 접합 영역의 두개골 길이를 후방 소엽의 전후 길이의 약 1/4로 추정합니다. 이 거리를 측정하여 소엽 겹침과 밀봉 용량을 평가합니다.
   4. 측정된 치수를 사용하여 적절한 환형 보존 마진을 계산합니다. 승모판의 최적 장착과 안정화를 보장하기 위해 30mm 실리콘 몰드를 선택하십시오(그림 8A). 아래 방정식을 사용합니다.
      a = (30-x)/2
      여기서 a = commissures에서 남겨 두어야하는 거리; x = 측정된 내측-외측 축 길이.
      b = (30 - zy) /2- 추정 ZC 길이
      여기서 b = 는 전방 및 후방 소엽에 남아 있는 남은 거리를 나타냅니다. y = 후방 소엽의 길이; z = 앞쪽 첨단의 길이.
   5. 측정 후 모든 점을 연결하여 실리콘 몰드에 봉합할 영역을 나타내는 연속적인 원형 윤곽을 형성합니다(그림 8B).
2. 조직 장착 및 척삭 힘줄 부착
   1. 16U의 봉합사를 사용하여 승모판 조직을 실리콘 몰드에 장착하여 고리를 고정하고 해부학적 위치를 유지합니다(그림 9A).
   2. 유두근의 삽입 지점에 2-0 코팅된 꼰 폴리에스터 봉합사를 사용하여 맥락막을 묶습니다.
   3. 심실실 기저부의 방출 구멍을 통해 봉합사를 통과시키고 고정하여 생리학적 유두 근육 긴장을 시뮬레이션합니다. 소엽 장력은 소엽 가장자리가 고리의 평면과 정렬된 상태로 유지되고 그 위로 돌출되지 않도록 시각적으로 조정되었습니다. (그림 9B).
   4. PDS의 좌심실 구멍 관에서 최대 장력으로 봉합사를 배치하여 변위를 유도하지 않고 승모판막의 안정화를 보장합니다(그림 10A, B).

4. 초기 테스트(기준 모델)

1. 기준선 혈역학 검사를 위해 준비된 승모판 모델을 박동 흐름 시뮬레이터에 배치합니다. 시스템을 소아 생리학적 상태(분당 120회의 심박수 및 2.0L/분의 심박출량)로 설정합니다.
2. 펄스 복사기 시스템에 식염수를 채우고 전체 회로에 기포가 없는지 확인하여 정확한 압력 및 유량 측정을 유지합니다.
3. 모든 후속 측정이 정확한지 확인하기 위해 초기화하기 전에 펄스 복사기 시스템을 영점화하십시오.
4. 시스템을 초기화하고 원하는 스트로크 볼륨에 도달하면 캡처 를 클릭하여 혈류역학적 측정값을 기록합니다.
5. 상부 및 투명 심방에서 심초음파 영상을 사용하여 승모판 기능을 평가하여 투과 구배 및 역류 심각도와 같은 매개변수를 평가하여 판막 모델의 포괄적인 기능 평가를 보장합니다(그림 10C).

Results

기준선 혈류역학 데이터는 펄스 복사기 시스템 내의 맞춤형 실리콘 홀더에 장착된 기본 승모판막을 사용하여 5개의 생체 외 실험에서 얻었습니다. 이 모델은 표준화된 소아 생리학적 조건(심박출량: 2L/min; HR: 120 bpm)을 사용하고 압력 변환기와 심초음파 영상을 사용하여 기능 평가를 수행했습니다.

역류 비율은 15.9%에서 26.6% 사이였으며 평균 21.1%± 5.3%였습니다. 스트로크 부피는 검체에 따라 크게 달랐습니다(평균: 42.8mL; SD: 47.6 mL), 하나의 밸브는 100 mL 이상의 출력을 보여주며, 이는 해부학적으로 유능한 구성과 일치합니다. 최대 유속은 평균 154.4mL/s(범위: 135.8-190.8mL/s)로 모든 시료에서 효과적인 밸브 배출을 보여주었습니다.

투과 구배는 직접 압력 측정과 심초음파 검사의 두 가지 방법을 사용하여 평가되었습니다. 계산된 그래디언트의 범위는 -1....

Discussion

이 연구의 목적은 소아 혈류역학 상태에서 승모판막을 복제하는 모델을 개발하는 것이었으며, 이를 통해 양심장을 실험적 근거로 사용하기로 결정했습니다. 이러한 선택은 양고기 승모판막과 소아 환자의 치수가 매우 유사하기 때문에 이루어졌습니다. 해부학적으로, 양의 심장은 인간의 심장에 비해 종축을 따라 복부로 더 기울어진 방향을 보이며, 좌심실⁸로 완전히 구성된 상대적으로 뭉툭한 정점을 가지고 있습니다. 성인의 심장 체중 대 체중 비율은 약 5g/kg으로 보고되었지만 어린 양의 경우 이 비율은 3g/kg입니다. 이러한 차이에도 불구하고, 승모판 혈류역학 평가에 큰 한계는 없습니다. 해부학적 비율과 기능적 역학의 유사성으로 인해 양심장은 체외(ex vivo ) 환경에서 소아 승모판 상태를 시뮬레이션하고 분석하는 데 적합하고 신뢰할 수 있는 모델입니다.

승모판 치수의 정확...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
2-0 코팅 꼰 폴리에스터 봉합사	Covidien	88863230-56	테스트 중 유두 근육의 안정화
3D 프린터	Ultimaker	Ultimaker S3	맞춤형 실리콘 몰드 제작에 사용
5-0 모노필라멘트 폴리프로필렌 봉합사, 이중 무장	Covidien	VPF-720-X	실리콘 몰드
DeBakey 외상성 겸	자에 밸브 봉합Aesculap	MB062R	해부 중 조직 취급
Fresh Lamb Hearts	Licensed Abattoir	—	천연 승모판막의 근원
Mayo 해부 가위	Aesculap	BC252B	일반 심장 박리
마이크로 바늘 홀더	Aesculap	FM538R	승모판 봉
Nelson-Metzenbaum 가위	Aesculap	BC606R	봉합사 절단에 사용
펄스 복사기 시스템	Vitro Labs	18363	밸브 테스트를위한 시뮬레이션 생리학적 흐름
실리콘 몰드	&엠대시;	심	실 기하학을 복제하는 데 사용되는
맞춤형 제작 멸균 식염수(0.9%)	Elabscience	PB180353	관류 회로용 배지