Opracowanie modelu oceny ex vivo zastawki mitralnej z wykorzystaniem symulatora przepływu pulsacyjnego

Summary

Prezentujemy model ex vivo do montażu zastawek mitralnych jagniąt w symulatorze pulsacyjnym w celu oceny funkcji zastawki w warunkach fizjologicznych. Konfiguracja ta umożliwia ilościową ocenę dynamiki zastawki mitralnej przy użyciu tkanki biologicznej w powtarzalnej, anatomicznie dokładnej konfiguracji.

Abstract

Chirurgiczna naprawa zastawki mitralnej pozostaje trudnym zabiegiem. Chociaż zdefiniowano kilka technik naprawy, brakuje danych porównujących ich efekty hemodynamiczne. Dostępne na rynku powielacze impulsów są powszechnie używane do symulacji krążenia krwi za pomocą mechanicznych lub drukowanych w 3D zastawek serca. Jednak ze względu na specyficzną budowę i mechanizm pracy zastawki mitralnej, eksperymenty z technikami chirurgicznymi wymagają użycia tkanek biologicznych. Zastawki mitralne jagnięce ex vivo nadają się do takich eksperymentów, ale metody montażu tych zastawek do systemu powielacza impulsów (PDS) nie są dobrze zdefiniowane. Aby temu zaradzić, zmodyfikowaliśmy system poprzez druk 3D i formowanie silikonu jako uchwytu zastawki mitralnej. Do każdego eksperymentu wycięliśmy zastawkę mitralną z serca jagnięcia, w tym jej pierścień i aparat podstawkowy. Wszczepiliśmy go do obszaru zastawki przedsionkowo-komorowej (mitralnej) maszyny testowej za pomocą silikonowego uchwytu. Napięcie mięśni brodawkowatych symulowano poprzez zawiązanie szwów wokół połączeń struna-brodawkowate i przepuszczenie tych szwów przez otwór spustowy na dnie komory komorowej. Wstępne testy właściwości zastawki przeprowadzono przy tętnie 120 uderzeń na minutę i pojemności minutowej serca 2 l/min. Niedomykalność zastawki i gradient ciśnienia między komorą przedsionkową i komorową mierzono za pomocą przepływomierzy elektromagnetycznych powielacza impulsów i zwalidowano za pomocą echokardiografii. Wyjściowe testy hemodynamiczne wykazały spójną funkcję zastawki w pięciu eksperymentach, ze średnią frakcją niedomykalności wynoszącą 21,1% i gradientami transpulacyjnymi pochodzącymi z echa w zakresie od 5,15 do 8,13 mmHg. Objętości wyrzutowe i szczytowe natężenia przepływu różniły się między próbkami, odzwierciedlając zmienność fizjologiczną w modelu pediatrycznym.

Introduction

Naprawa zastawki mitralnej znacznie się rozwinęła, a współczesne techniki chirurgiczne oferują zwiększoną skuteczność i lepsze długoterminowe wyniki¹. Chociaż wiele ośrodków ma ustandaryzowane strategie naprawy zastawki mitralnej, nadal istnieje luka w kompleksowej ocenie hemodynamicznego wpływu tych interwencji². Optymalizacja strategii naprawczych, szczególnie w przypadku złożonych anatomicznie lub pediatrycznych przypadków, wymaga modeli, które pozwalają na kontrolowane, powtarzalne testy fizjologiczne.

Głównym celem tego badania było opracowanie powtarzalnego modelu ex vivo wykorzystującego biologiczne zastawki mitralne, umożliwiającego precyzyjną ocenę dynamiki zastawki w fizjologicznych warunkach przepływu. Systemy powielaczy impulsów znacznie rozwinęły dziedzinę biomechaniki zaworów, ułatwiając analizę ex vivo funkcji zaworu w warunkach zbliżonych do fizjologicznych^3,4,5. Systemy te zostały zastosowane w zastawkach aortalnych i płucnych, a ostatnio w zastawce mitralnej. Jednak cel opracowania tej techniki wynika z unikalnej złożoności anatomicznej i funkcjonalnej zastawki mitralnej, a zwłaszcza jej aparatu podzastawkowego, co wymaga biologicznie dokładnych modeli. Istnieje obszerna literatura na temat modeli ex vivo zastawki mitralnej; Jednak żadne z tych badań nie zawiera szczegółowego opisu techniki pobierania ani nie podkreśla krytycznych kroków wymaganych do zachowania integralności strukturalnej zastawki mitralnej i aparatu podzastawkowego podczas ekstrakcji^6,7. Co więcej, w literaturze brakuje praktycznych wskazówek, jak skutecznie zintegrować wycięty zawór z systemem powielacza impulsów, co jest niezbędne do uzyskania fizjologicznie istotnej symulacji hemodynamicznej.

W kardiochirurgii dorosłych kilka technik naprawczych zostało ocenionych za pomocą modeli ex vivo, takich jak naprawa od krawędzi do krawędzi, wymiana struny i przybliżenie brodawkowate⁵. Techniki te dostarczyły cennych informacji biomechanicznych. W przeciwieństwie do tego, zastosowania pediatryczne pozostają niedostatecznie zbadane, a tylko ograniczone badania ex vivo dotyczące wad wrodzonych, takich jak rozszczepy zastawki mitralnej. Jedno z takich badań wykazało znaczenie całkowitego zamknięcia szczeliny w celu przywrócenia kompetencji zaworu⁶.

Ta metoda jest szczególnie odpowiednia dla badaczy i klinicystów zainteresowanych oceną wyników naprawy wrodzonych lub złożonych patologii zastawki mitralnej w kontrolowanym środowisku. Pobierając aparat mitralny z serc jagniąt, wybranych ze względu na ich anatomiczne podobieństwo do zastawek dziecięcych, i montując go w niestandardowym silikonowym uchwycie w symulatorze przepływu pulsacyjnego, system odtwarza realistyczną hemodynamikę i umożliwia seryjne testy. Co ważne, model ten pozwala uniknąć eksperymentów na żywych zwierzętach i zapewnia elastyczną platformę do symulacji niedomykalności, zwężenia, rozszczepu lub fuzji podzastawkowej⁸.

System powielacza impulsów Vivitro został wykorzystany w tym badaniu do oceny skuteczności zastawki mitralnej i symulacji funkcji serca. Procedura rozpoczęła się od aktywacji oprogramowania systemowego, po której nastąpił wybór odpowiednich parametrów przebiegu, takich jak stosunek skurczowy do rozkurczowego, tętno (uderzenia na minutę) i długość fali. Zastawka mitralna została następnie wprowadzona do komory testowej powielacza i podłączono wszystkie niezbędne czujniki. Plik kalibracyjny został otwarty, a system został jednocześnie zainicjowany, aby upewnić się, że całe powietrze zostało usunięte z czujników i przewodów po zainstalowaniu czujnika. Aby zagwarantować precyzyjne pomiary, konieczne było, aby cały obwód płynu był pozbawiony tlenu i całkowicie wypełniony roztworem soli fizjologicznej. Gdy system pracował w stanie ustalonym, objętość wyrzutowa została zmieniona na 25 ml. Akwizycja danych rozpoczęła się od zarejestrowania 10 cykli, w których stwierdzono, że system nie ma wycieków ani błędów. Wygenerowane dane zostały następnie wyeksportowane w formacie arkusza kalkulacyjnego w celu dalszej analizy. Ilościowa ocena badania była łatwiejsza dzięki zdolności systemu do automatycznego obliczania większości potrzebnych parametrów, w tym objętości niedomykalności i kilku pomiarów ciśnienia (Rysunek 1A).

Podsumowując, ten model ex vivo oferuje ustandaryzowane, biologicznie istotne podejście do badania naprawy zastawki mitralnej, wypełniając lukę między modelowaniem in silico a testami in vivo oraz zwiększając wartość translacyjną innowacji chirurgicznych.

Protocol

To badanie zostało przeprowadzone przy użyciu serc jagnięcych uzyskanych pośmiertnie z licencjonowanej rzeźni. Zgodnie z decyzją Lokalnej Komisji Etycznej ds. Doświadczeń na Zwierzętach Uniwersytetu w Stambule-Cerrahpaşa (2025/11) praca ta jest objęta wyłączeniem określonym w art. 8 (8-k1) dyrektywy HADYEK, a zatem nie wymagała zatwierdzenia etycznego .

1. Konfiguracja eksperymentu

1. Zduplikuj komponent dopływu mitralnego systemu powielacza impulsów za pomocą oprogramowania do modelowania 3D. Utwórz cyfrową kopię istniejącej geometrii, aby zapewnić zgodność. Wydrukuj projekt za pomocą filamentu PLA na drukarce 3D. Użyj wydrukowanej formy, aby odlać silikonową komorę dopływową. Po utwardzeniu zintegruj część silikonową z systemem, upewniając się, że jest dobrze dopasowana i utrzymuje prawidłowe uszczelnienie (Rysunek 1B, C).
2. Zaopatrz się w serca jagnięce z pobliskiej rzeźni, zwracając natychmiastową uwagę na upewnienie się, że serca zostały pozyskane pośmiertnie, aby zachować ich stan fizjologiczny. Po zebraniu należy przechowywać serca oddzielnie w temperaturze -20 °C w zamrażarce, aby zachować ich integralność strukturalną, lub niezwłocznie wykorzystać je w procedurach eksperymentalnych.
   UWAGA: Wszystkie eksperymenty zostały przeprowadzone z zachowaniem odpowiednich środków ostrożności. Przez cały czas używano rękawiczek i kapturów, a wszystkie narzędzia chirurgiczne były sterylizowane alkoholem po każdym użyciu.

2. Pobieranie zastawki mitralnej

1. Brzucholotomia i resekcja prawej komory i przedsionka
   1. Wykonaj poprzeczne nacięcie na wierzchołku serca za pomocą nożyczek chirurgicznych. Przedłuż nacięcie wyżej w kierunku prawej komory wzdłuż rowka międzykomorowego. Uważaj, aby uniknąć uszkodzenia mięśni brodawkowatych podczas tego rozwarstwienia. Patrz Rysunek 2A - B, aby zapoznać się z trajektorią nacięcia i anatomicznymi punktami orientacyjnymi.
   2. Wytnij wolną ścianę prawej komory za pomocą nożyczek chirurgicznych, aby przedłużyć ekspozycję. Kontynuuj, wycinając prawy przedsionek en bloc, aby całkowicie odsłonić przegrodę międzykomorową. Ta ekspozycja ma kluczowe znaczenie dla późniejszej sekcji struktur podzastawkowych (Rysunek 3A,B).
2. Nacięcie przegrody międzykomorowej (IVS)
   1. Wizualizuj zastawkę mitralną od korzenia aorty do lewej jamy komorowej. Zidentyfikuj przednią płatkę na podstawie jej orientacji poniżej płaszczyzny zastawki aortalnej. Upewnij się, że ulotka jest w pełni odsłonięta przed nacięciem przegrody (Rysunek 4A).
   2. Za pomocą cienkich nożyczek chirurgicznych naciąć IVS, zaczynając od korzenia aorty po przeciwnej stronie przedniego płatka mitralnego. Przedłuż nacięcie w dół wzdłuż przegrody w kierunku wcześniej wykonanego nacięcia wierzchołkowego. Otwórz przegrodę, aby odsłonić lewą jamę komorową bez uszkadzania struktur podzastawkowych (Rysunek 4B).
3. Rozwarstwienie mięśni brodawkowatych
   1. Odsłoń lewą komorę i wytnij mięśnie brodawkowate za pomocą cienkich nożyczek. Zachowaj struny ścięgniste, aby utrzymać funkcjonalność zastawki mitralnej (Rysunek 4C).
4. Wycięcie lewego przedsionka
   1. Wytnij obwodzie uszek lewego przedsionka, aby poprawić wizualizację pierścienia mitralnego od góry (Rysunek 5A,B).
   2. Przesuń mięśnie brodawkowate w górę przez lewy przedsionek, aby odwrócić zastawkę mitralną i bezpiecznie wystawić je z powierzchni komory w celu wycięcia (Rysunek 6A).
   3. Przyciąć nadmiar tkanki otaczającej pierścień mitralny, upewniając się, że co najmniej 10 mm tkanki jest zachowane obwodowo, aby zachować integralność anatomiczną i funkcję (Rysunek 6B).
5. Usuwanie tkanki płucnej i aorty
   1. Usuń pozostałą tkankę z aorty i tętnicy płucnej, aby zapobiec zakłóceniom w umieszczeniu aparatu mitralnego w formie silikonowej.

3. Umieszczenie zastawki mitralnej w silikonowej formie

1. Pomiary zastawki mitralnej
   1. Zmierz długość przednich i tylnych płatków zastawki mitralnej wzdłuż osi przednio-tylnej, aby ocenić wymiary płatka (Rysunek 7A,B).
   2. Zapisz długość zastawki mitralnej wzdłuż osi przyśrodkowej bocznej do wykorzystania w późniejszym dopasowaniu formy i analizie wymiarowej (Rysunek 7C).
   3. Oszacuj długość czaszkowo-ogonową strefy koaptacji jako około 1/4 długości przednio-tylnej tylnego listka. Zmierz tę odległość, aby ocenić nakładanie się ulotki i zdolność zgrzewania.
   4. Użyj zmierzonych wymiarów, aby obliczyć odpowiedni pierścieniowy margines retencji. Wybierz formę silikonową o średnicy 30 mm, aby zapewnić optymalne dopasowanie i stabilizację aparatu mitralnego (Rysunek 8A). Skorzystaj z poniższych równań:
      A = (30-x)/2
      Gdzie a = odległość, która powinna być pozostawiona od spoidła; x = zmierzona długość osi środkowo-bocznej.
      b = (30 - z y) /2−szacowana długość ZC
      Gdzie b = oznacza pozostałą odległość pozostałą w przednim i tylnym płatku; y = długość tylnego listka; z = długość przedniego płatka.
   5. Po pomiarach połącz wszystkie punkty, tworząc ciągły okrągły kontur, reprezentujący obszar, który ma być zszyty na silikonowej formie (Rysunek 8B).
2. Mocowanie tkanek i przyczep struny ścięgnistej
   1. Zamontuj tkankę zastawki mitralnej na silikonowej formie, używając szwów 16 U, aby zabezpieczyć pierścień i utrzymać jego anatomiczne położenie (Rysunek 9A).
   2. Zawiąż struny ścięgniste w punktach przyczepu mięśni brodawkowatych za pomocą powlekanych plecionych szwów poliestrowych 2-0.
   3. Przełóż szwy przez otwór spustowy u podstawy komory i zabezpiecz je, aby symulować fizjologiczne napięcie mięśni brodawkowatych. Naprężenie ulotki zostało dostosowane wizualnie tak, aby krawędzie ulotki pozostawały wyrównane z płaszczyzną pierścienia i nie wystawały ponad nią. (Rysunek 9B).
   4. Umieść szwy pod maksymalnym napięciem w lewej komorze otworu PDS, zapewniając stabilizację zastawki mitralnej bez wywoływania przemieszczenia (Rysunek 10A, B).

4. Wstępne testowanie (model bazowy)

1. Umieść przygotowany model zastawki mitralnej w symulatorze przepływu pulsacyjnego w celu przeprowadzenia podstawowych testów hemodynamicznych. Ustaw system na warunki fizjologiczne u dzieci: tętno 120 uderzeń na minutę i pojemność minutowa serca 2,0 l/min.
2. Napełnij system powielacza impulsów solą fizjologiczną, upewniając się, że cały obwód jest wolny od pęcherzyków powietrza, aby utrzymać dokładne pomiary ciśnienia i przepływu.
3. Wyzeruj system powielacza impulsów przed inicjalizacją, aby upewnić się, że wszystkie kolejne pomiary są dokładne.
4. Zainicjuj system, a po osiągnięciu żądanej objętości wyrzutu kliknij przycisk Przechwyć, aby zarejestrować pomiary hemodynamiczne.
5. Oceń funkcję zastawki mitralnej za pomocą obrazowania echokardiograficznego z górnej i przezroczystej komory przedsionkowej w celu oceny parametrów, takich jak gradient transmisji i nasilenie niedomykalności, zapewniając kompleksową ocenę funkcjonalną modelu zastawki (Rysunek 10C).

Results

Podstawowe dane hemodynamiczne uzyskano z pięciu eksperymentów ex vivo przy użyciu natywnych zastawek mitralnych zamontowanych w niestandardowym silikonowym uchwycie w systemie powielacza impulsów. Model poddano perfuzji w standaryzowanych warunkach fizjologicznych u dzieci (pojemność minutowa serca: 2 l/min; HR: 120 uderzeń na minutę), a oceny funkcjonalne przeprowadzono za pomocą przetworników ciśnienia i obrazowania echokardiograficznego.

Frakcja niedomykalności wahała się od 15,9%...

Discussion

Celem tego badania było opracowanie modelu replikującego zastawkę mitralną w pediatrycznym stanie hemodynamicznym, który kierował naszą decyzją o wykorzystaniu serc jagnięcych jako podstawy eksperymentalnej. Wybór ten był spowodowany bliskim podobieństwem wymiarów między zastawką mitralną jagniąt a zastawką u pacjentów pediatrycznych. Anatomicznie serce jagnięce wykazuje bardziej brzusznie nachyloną orientację wzdłuż osi podłużnej w porównaniu z sercem ludzkim i posiada stosunkowo wierzchołek złożony w całości z lewej ko...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Powlekany szew poliestrowy powlekany 2-0	Covidien	88863230-56	Stabilizacja mięśni brodawkowatych podczas testowania
Drukarka 3D	Ultimaker	Ultimaker S3	Służy do wytwarzania niestandardowych form silikonowych
5-0 Monofilamentowy szew polipropylenowy, dwuramienny	Covidien	VPF-720-X	Zszywanie zaworu do formy silikonowej
DeBakey Atraumatyczne kleszcze	Aesculap	MB062R	Postępowanie z tkankami podczas sekcji
Świeże serca jagnięce	Licencjonowana rzeźnia	—	Źródło natywnych zastawek mitralnych
Nożyczki preparacyjne Mayo	Aesculap	BC252B	Ogólna dyssekcja serca
Mikro uchwyt na igły	Aesculap	FM538R	Szycie zastawki mitralnej
Nożyczki Nelson-Metzenbaum	Aesculap	BC606R	Używany do cięcia szwów
System powielania impulsów	ViVitro Labs	18363	Symulowany przepływ fizjologiczny do testowania zaworów
Formy silikonowe	—	Wykonane na zamówienie	Służy do odtworzenia geometrii komór
Sterylna sól fizjologiczna (0,9%)	Elabscience	PB180353	Podłoże do obwodu perfuzyjnego