Ontwikkeling van een ex vivo mitralisklepevaluatiemodel met behulp van een pulserende flowsimulator

Summary

We presenteren een ex vivo model voor het monteren van lamsmitraliskleppen in een pulserende simulator om de klepfunctie onder fysiologische omstandigheden te beoordelen. Deze opstelling maakt kwantitatieve evaluatie van de dynamiek van de mitralisklep mogelijk met behulp van biologisch weefsel in een reproduceerbare, anatomisch nauwkeurige configuratie.

Abstract

Chirurgische mitralisklepreparatie blijft een uitdagende procedure. Hoewel er verschillende reparatietechnieken zijn gedefinieerd, ontbreken gegevens die hun hemodynamische effecten vergelijken. De in de handel verkrijgbare pulsduplicators worden vaak gebruikt om de bloedcirculatie te simuleren via mechanische of 3D-geprinte hartkleppen. Vanwege de specifieke structuur en het werkingsmechanisme van de mitralisklep vereisen de experimenten met chirurgische technieken echter het gebruik van biologische weefsels. Ex vivo lamsmitraliskleppen zijn geschikt voor dergelijke experimenten, maar de methoden voor het monteren van deze kleppen op het pulsduplicatorsysteem (PDS) zijn niet goed gedefinieerd. Om dit aan te pakken, hebben we het systeem aangepast door middel van 3D-printen en siliconengieten als mitralisklephouder. We hebben de mitralisklep uit een lamshart gesneden voor elk experiment, inclusief het annulus- en subvalvar-apparaat. We hebben dit geïmplanteerd in het atrioventriculaire (mitralis) klepgebied van de testmachine met behulp van de siliconenhouder. Papillaire spierspanning werd gesimuleerd door hechtingen rond de chordae-papillaire juncties te binden en deze hechtingen door het ontgrendelingsgat aan de onderkant van de ventriculaire kamer te leiden. De eerste tests van de klepcompetentie werden uitgevoerd met een hartslag van 120 slagen per minuut en een hartminuutvolume van 2 l/min. Klepregurgitatie en de drukgradiënt tussen de atriale en ventriculaire kamers werden gemeten met behulp van pulsduplicator elektromagnetische flowmeters en gevalideerd met echocardiografie. Baseline hemodynamische testen toonden een consistente klepfunctie aan in vijf experimenten, met een gemiddelde regurgitatiefractie van 21,1% en echo-afgeleide transmitrale gradiënten variërend van 5,15 tot 8,13 mmHg. Slagvolumes en piekstroomsnelheden varieerden tussen monsters, wat de fysiologische variabiliteit binnen het pediatrische model weerspiegelt.

Introduction

Het herstel van de mitralisklep is aanzienlijk geëvolueerd, waarbij hedendaagse chirurgische technieken een verbeterde werkzaamheid en verbeterde langetermijnresultaten bieden¹. Hoewel veel centra gestandaardiseerde mitralisherstelstrategieën hebben, blijft er een hardnekkige kloof bestaan in de uitgebreide evaluatie van de hemodynamische impact van deze interventies². Het optimaliseren van herstelstrategieën, met name voor anatomisch complexe of pediatrische gevallen, vereist modellen die gecontroleerde, herhaalbare fysiologische tests mogelijk maken.

Het primaire doel van deze studie was het ontwikkelen van een reproduceerbaar ex vivo model met behulp van biologische mitraliskleppen, waardoor een nauwkeurige beoordeling van de klepdynamiek onder fysiologische stromingsomstandigheden mogelijk is. Pulsduplicatorsystemen hebben het gebied van de klepbiomechanica aanzienlijk verbeterd door ex vivo analyse van de klepfunctie onder bijna-fysiologische omstandigheden te vergemakkelijken ^3,4,5. Deze systemen zijn toegepast op aorta- en longkleppen en, meer recentelijk, op de mitralisklep. Het doel voor de ontwikkeling van deze techniek komt echter voort uit de unieke anatomische en functionele complexiteit van de mitralisklep, met name het subvalvulaire apparaat, waarvoor biologisch nauwkeurige modellen nodig zijn. Er bestaat een aanzienlijke hoeveelheid literatuur over ex vivo modellen van de mitralisklep; Geen van deze studies geeft echter een gedetailleerde beschrijving van de oogsttechniek of belicht de kritieke stappen die nodig zijn om de structurele integriteit van de mitralisklep en het subvalvulaire apparaat tijdens de extractie te behouden ^6,7. Bovendien ontbreekt het in de literatuur aan praktische richtlijnen over hoe de uitgesneden klep met succes kan worden geïntegreerd in een pulsduplicatorsysteem, wat essentieel is voor het bereiken van fysiologisch relevante hemodynamische simulatie.

Bij hartchirurgie bij volwassenen zijn verschillende hersteltechnieken beoordeeld met behulp van ex vivo-modellen , zoals edge-to-edge reparatie, chordale vervanging en papillaire benadering⁵. Deze technieken hebben waardevolle biomechanische inzichten opgeleverd. Pediatrische toepassingen daarentegen blijven onderbelicht, met slechts beperkte ex vivo-onderzoeken die gericht zijn op aangeboren afwijkingen zoals mitralisspleten. Een van die studies toonde het belang aan van volledige gespleten sluiting om de klepcompetentie te herstellen⁶.

Deze methode is met name geschikt voor onderzoekers en clinici die geïnteresseerd zijn in het beoordelen van herstelresultaten voor aangeboren of complexe mitraliskleppathologieën in een gecontroleerde omgeving. Door het mitralisapparaat te oogsten uit lamsharten, gekozen vanwege hun anatomische gelijkenis met pediatrische kleppen, en ze te monteren in een op maat gemaakte siliconenhouder in een pulserende flowsimulator, repliceert het systeem realistische hemodynamica en maakt het seriële tests mogelijk. Belangrijk is dat dit model experimenten met levende dieren vermijdt en een aanpasbaar platform biedt voor het simuleren van regurgitatie, stenose, schisis of subvalvulaire fusie⁸.

Het Vivitro Pulse Duplicator-systeem werd in deze studie gebruikt om de werkzaamheid van een mitralisklep te beoordelen en de hartfunctie te simuleren. De procedure begon met de activering van de systeemsoftware, gevolgd door de selectie van de juiste golfvormparameters, zoals de systolisch-diastolische verhouding, hartslag (slagen per minuut) en golflengte. De mitralisklep werd vervolgens in de testkamer van de duplicator gestoken en alle benodigde sensoren werden aangesloten. Het kalibratiebestand werd geopend en het systeem werd tegelijkertijd gestart om ervoor te zorgen dat alle lucht uit de sensoren en slangen werd verwijderd nadat de sensor was geïnstalleerd. Om nauwkeurige metingen te garanderen, was het absoluut noodzakelijk dat het hele vloeistofcircuit vrij was van zuurstof en volledig gevuld was met een zoutoplossing. Toen het systeem in stationaire toestand was, werd het slagvolume gewijzigd in 25 ml. De gegevensverzameling begon met het registreren van 10 cycli waarbij bleek dat het systeem geen lekken of fouten vertoonde. De gegenereerde gegevens werden vervolgens geëxporteerd in spreadsheetformaat voor verdere analyse. Een kwantitatieve beoordeling van het onderzoek werd vergemakkelijkt door het vermogen van het systeem om de meeste benodigde parameters automatisch te berekenen, inclusief het volume van regurgitans en verschillende drukmetingen (Figuur 1A).

Samenvattend biedt dit ex vivo-model een gestandaardiseerde, biologisch relevante benadering voor het bestuderen van mitralisklepherstel, het overbruggen van de kloof tussen in silico-modellering en in vivo testen, en het uitbreiden van de translationele waarde van chirurgische innovatie.

Protocol

Deze studie werd uitgevoerd met behulp van lamsharten die post-mortem waren verkregen van een erkend slachthuis. Volgens het besluit van de lokale ethische commissie voor dierproeven van de Universiteit van Istanbul-Cerrahpaşa (2025/11) valt dit werk onder de vrijstelling zoals uiteengezet in artikel 8 (8-k1) van de HADYEK-richtlijn en was er daarom geen ethische goedkeuring vereist.

1. Experiment instellen

1. Dupliceer de mitralisinstroomcomponent van het pulsduplicatorsysteem met behulp van 3D-modelleringssoftware. Maak een digitale kopie van de bestaande geometrie om compatibiliteit te garanderen. Print het ontwerp met PLA filament op een 3D-printer. Gebruik de bedrukte mal om de siliconen instroomkamer te gieten. Integreer na uitharding het siliconen onderdeel in het systeem en zorg ervoor dat het goed past en goed afdicht (Figuur 1B,C).
2. Koop lamsharten bij een nabijgelegen slachthuis, waarbij er onmiddellijk op wordt gelet dat de harten postmortaal worden verkregen om hun fysiologische toestand te behouden. Bewaar de harten na het verzamelen apart bij -20 °C in een vriezer om hun structurele integriteit te behouden, of gebruik ze onmiddellijk in experimentele procedures.
   OPMERKING: Alle experimenten zijn uitgevoerd onder de juiste veiligheidsmaatregelen. Handschoenen en kappen werden overal gebruikt en alle chirurgische instrumenten werden na elk gebruik gesteriliseerd met alcohol.

2. Het oogsten van de mitralisklep

1. Ventriculotomie en resectie van de rechterventrikel en het atrium
   1. Maak een transversale incisie aan de top van het hart met behulp van een chirurgische schaar. Verleng de incisie superieur naar de rechterventrikel langs de interventriculaire groef. Zorg ervoor dat u de papillaire spieren tijdens deze dissectie niet verwondt. Zie Figuur 2A - B voor het incisietraject en de anatomische oriëntatiepunten.
   2. Snijd de vrije wand van de rechterventrikel weg met een chirurgische schaar om de blootstelling te verlengen. Ga verder met het wegsnijden van het rechter atrium en bloc om het interventriculaire septum volledig bloot te leggen. Deze blootstelling is van cruciaal belang voor de daaropvolgende dissectie van de subvalvulaire structuren (Figuur 3A,B).
2. Incisie van het interventriculaire septum (IVS)
   1. Visualiseer de mitralisklep van de aortawortel in de linkerventrikelholte. Identificeer het voorste blad op basis van de oriëntatie onder het aortaklepvlak. Zorg ervoor dat de bijsluiter volledig wordt blootgesteld voordat de septale incisie wordt ingesneden (Figuur 4A).
   2. Snijd met een fijne chirurgische schaar de IVS in, beginnend bij de aortawortel aan de contralaterale zijde van de voorste mitralisflap. Verleng de incisie naar beneden langs het septum in de richting van de eerder gemaakte apicale snede. Open het septum om de linkerventrikelholte bloot te leggen zonder de subvalvulaire structuren te beschadigen (Figuur 4B).
3. Papillaire spierdissectie
   1. Leg de linker hartkamer bloot en snijd de papillaire spieren weg met een fijne schaar. Behoud de chordae tendineae om de functionaliteit van de mitralisklep te behouden (Figuur 4C).
4. Linker atrium excisie
   1. Snijd het linker atriumaanhangsel in de omtrek weg om de visualisatie van de mitralisannulus van bovenaf te verbeteren (Figuur 5A,B).
   2. Transplaats de papillaire spieren naar boven door het linker atrium om de mitralisklep om te keren en ze veilig bloot te stellen van het ventriculaire oppervlak voor excisie (Figuur 6A).
   3. Knip overtollig weefsel rond de mitralisannulus af en zorg ervoor dat ten minste 10 mm weefsel in de omtrek behouden blijft om de anatomische integriteit en functie te behouden (Figuur 6B).
5. Verwijdering van long- en aortaweefsel
   1. Verwijder eventueel achtergebleven weefsel uit de aorta en longslagader om interferentie met de plaatsing van het mitralisapparaat in de siliconenmal te voorkomen.

3. Plaatsing van de mitralisklep in de siliconen mal

1. Metingen mitralisklep
   1. Meet de lengtes van de voorste en achterste mitralisklepbladen langs de anteroposterieure as om de afmetingen van de bladzijde te beoordelen (Figuur 7A,B).
   2. Noteer de lengte van de mitralisklep langs de mediolaterale as voor gebruik bij de daaropvolgende matrijsfitting en dimensionale analyse (Figuur 7C).
   3. Schat de craniocaudale lengte van de coaptatiezone op ongeveer 1/^{4 van de} anteroposterieure lengte van het achterste blad. Meet deze afstand om de overlapping van de folder en de sealcapaciteit te beoordelen.
   4. Gebruik de gemeten dimensies om de juiste ringvormige retentiemarge te berekenen. Kies een siliconen mal van 30 mm om een optimale pasvorm en stabilisatie van het mitralisapparaat te garanderen (Figuur 8A). Gebruik de onderstaande vergelijkingen:
      a = (30-x)/2
      Waarbij a = de afstand die gelaten moet worden tot commissuren; x = de gemeten lengte van de mediaal-laterale as.
      b = (30 - z y) /2−geschatte ZC-lengte
      Waarbij b = staat voor de resterende afstand in het voorste en achterste blad; y = de lengte van het achterste deelblad; z = de lengte van het voorste deelblad.
   5. Volg de metingen en verbind alle punten om een doorlopende cirkelvormige omtrek te vormen, die het gebied weergeeft dat op de siliconen mal moet worden gehecht (Figuur 8B).
2. Weefselbevestiging en chordae tendineae bevestiging
   1. Monteer het mitralisklepweefsel op een siliconen mal en gebruik 16 U-hechtingen om de annulus vast te zetten en de anatomische positionering te behouden (Figuur 9A).
   2. Bind de chordae tendineae vast op de aanhechtingspunten van de papillaire spieren met behulp van 2-0 gecoate gevlochten polyester hechtingen.
   3. Haal de hechtingen door het ontgrendelingsgat aan de onderkant van de ventriculaire kamer en zet ze vast om fysiologische papillaire spierspanning te simuleren. De spanning van het blad werd visueel aangepast om ervoor te zorgen dat de randen van het blad uitgelijnd bleven met het vlak van de annulus en er niet boven uitstaken. (Figuur 9B).
   4. Plaats de hechtingen onder maximale spanning op het linkerventrikel van de PDS, waarbij u zorgt voor stabilisatie van de mitralisklep zonder verplaatsing te veroorzaken (Figuur 10A,B).

4. Eerste testen (basislijnmodel)

1. Plaats het voorbereide mitralisklepmodel in de pulserende flowsimulator voor hemodynamisch basisonderzoek. Stel het systeem in op pediatrische fysiologische omstandigheden: een hartslag van 120 slagen per minuut en een hartminuutoutput van 2,0 l/min.
2. Vul het pulsduplicatorsysteem met zoutoplossing en zorg ervoor dat het hele circuit vrij is van luchtbellen om nauwkeurige druk- en debietmetingen te behouden.
3. Zet het pulsduplicatorsysteem op nul voordat u het initialiseert om ervoor te zorgen dat alle volgende metingen nauwkeurig zijn.
4. Initialiseer het systeem en zodra het gewenste slagvolume is bereikt, klikt u op Vastleggen om de hemodynamische metingen vast te leggen.
5. Evalueer de mitralisklepfunctie met behulp van echocardiografische beeldvorming vanuit de bovenste en transparante atriale kamer om parameters zoals transmissiegradiënt en ernst van regurgitatie te beoordelen, waardoor een uitgebreide functionele beoordeling van het klepmodel wordt gegarandeerd (Figuur 10C).

Results

Baseline hemodynamische gegevens werden verkregen uit vijf ex vivo experimenten met behulp van native mitraliskleppen gemonteerd in een op maat gemaakte siliconenhouder in een pulsduplicatorsysteem. Het model werd geperfundeerd onder gestandaardiseerde pediatrische fysiologische omstandigheden (cardiale output: 2 l/min; HR: 120 bpm) en functionele beoordelingen werden uitgevoerd met behulp van druktransducers en echocardiografische beeldvorming.

De re...

Discussion

Het doel van deze studie was om een model te ontwikkelen dat de mitralisklep repliceert in pediatrische hemodynamische toestand, wat onze keuze leidde om lamsharten als experimentele basis te gebruiken. Deze selectie werd gedreven door de sterke gelijkenis in afmetingen tussen de mitralisklep van het lam en die van pediatrische patiënten. Anatomisch gezien vertoont het lamshart een meer ventraal gekantelde oriëntatie langs de lengteas in vergelijking met het menselijk hart en bezit het e...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
2-0 Coated Braided Polyester Suture	Covidien	88863230-56	Stabilisatie van papillaire spieren tijdens testen
3D Printer	Ultimaker	Ultimaker S3	Gebruikt voor het maken van aangepaste siliconen mallen
5-0 Monofilament Polypropyleen Suture, Double Armed	Covidien	VPF-720-X	Het naaien van de klep aan de siliconen mal
DeBakey Atraumatische Forceps	Aesculap	MB062R	Weefselbehandeling tijdens dissectie
Fris Lamsharten	Gelicentieerd Slachthuis	—	Bron van inheemse mitraliskleppen
Mayo Dissectie Schaartjes	Aesculap	BC252B	Algemene hartdissectie
Micro Naaldhouder	Aesculap	FM538R	Het naaien van de mitralisklep
Nelson-Metzenbaum Schaartjes	Aesculap	BC606R	Gebruikt voor het snijden van hechtingen
Puls Duplicator Systeem	ViVitro Labs	18363	Gesimuleerd fysiologisch flow voor kleptesten
Siliconen Mallen	—	Op maat gemaakt	Gebruikt om ventrikelgeometrie te repliceren
Steriele Saline (0,9%)	Elabscience	PB180353	Medium voor perfusiecircuit