Разработка модели оценки митрального клапана ex vivo с использованием симулятора пульсирующего потока

Summary

Мы представляем ex vivo модель для установки митральных клапанов ягненка в пульсирующий симулятор для оценки функции клапана в физиологических условиях. Эта установка позволяет количественно оценить динамику митрального клапана с использованием биологической ткани в воспроизводимой, анатомически точной конфигурации.

Abstract

Хирургическое восстановление митрального клапана остается сложной процедурой. Несмотря на то, что было определено несколько методов репарации, данные, сравнивающие их гемодинамические эффекты, отсутствуют. Коммерчески доступные импульсные дупликаторы обычно используются для моделирования циркуляции крови через механические или напечатанные на 3D-принтере сердечные клапаны. Однако, в связи со специфическим строением и механизмом работы митрального клапана, эксперименты по хирургическим методикам требуют использования биологических тканей. Митральные клапаны ягненка ex vivo подходят для таких экспериментов, но методы установки этих клапанов в систему импульсного дупликатора (PDS) точно не определены. Чтобы решить эту проблему, мы модифицировали систему с помощью 3D-печати и литья силикона в качестве держателя митрального клапана. Мы вырезали митральный клапан из сердца ягненка для каждого эксперимента, включая его кольцевой и подклапанный аппараты. Мы имплантировали его в атриовентрикулярную (митральную) область клапана тестовой машины с помощью силиконового держателя. Напряжение папиллярных мышц моделировали путем наложения швов вокруг хордовых и папиллярных соединений и пропускания этих швов через отверстие для выпуска в нижней части желудочковой камеры. Первоначальное тестирование компетентности клапана проводилось при частоте сердечных сокращений 120 ударов в минуту и сердечном выбросе 2 л/мин. Клапанную регургитацию и градиент давления между предсердной и желудочковой камерами измеряли с помощью электромагнитных расходомеров с импульсным дупликатором и валидировали с помощью эхокардиографии. Исходное гемодинамическое тестирование продемонстрировало стабильную функцию клапана в пяти экспериментах со средней фракцией регургитации 21,1% и градиентами передачи, полученными от эха, в диапазоне от 5,15 до 8,13 мм рт.ст. Объемы инсульта и пиковые скорости выдоха варьировались у разных образцов, отражая физиологическую вариабельность в педиатрической модели.

Introduction

Восстановление митрального клапана значительно эволюционировало, а современные хирургические методы обеспечивают повышенную эффективность и улучшенные долгосрочные результаты¹. Несмотря на то, что многие центры стандартизировали стратегии восстановления митрального отдела, сохраняется устойчивый пробел во всесторонней оценке гемодинамического воздействия этих вмешательств². Для оптимизации стратегий восстановления, особенно в анатомически сложных или педиатрических случаях, требуются модели, которые позволяют проводить контролируемые, повторяемые физиологические тесты.

Основной целью данного исследования была разработка воспроизводимой ex vivo модели с использованием биологических митральных клапанов, позволяющей точно оценить динамику клапана в условиях физиологического потока. Системы дупликаторов импульсов значительно продвинули область биомеханики клапанов, облегчив ex vivo анализ функции клапана в условиях, близких к физиологическим ^3,4,5. Эти системы были применены к аортальным и легочным клапанам, а в последнее время и к митральному клапану. Тем не менее, цель разработки этой методики вытекает из уникальной анатомической и функциональной сложности митрального клапана, особенно его подклапанного аппарата, что требует биологически точных моделей. Существует значительный объем литературы по моделям митрального клапана ex vivo; Тем не менее, ни в одном из этих исследований не содержится подробного описания техники забора и не выделяются критические этапы, необходимые для сохранения структурной целостности митрального клапана и подклапанного аппарата во время экстракции ^6,7. Кроме того, в литературе отсутствуют практические рекомендации по успешной интеграции удаленного клапана в систему дупликатора импульсов, что имеет важное значение для достижения физиологически значимого гемодинамического моделирования.

В кардиохирургии у взрослых с использованием моделей ex vivo было оценено несколько методов восстановления, таких как восстановление от края до края, замена хорды и папиллярная аппроксимация⁵. Эти методы позволили получить ценные биомеханические знания. В отличие от этого, применение в педиатрии остается недостаточно изученным, и только ограниченные исследования ex vivo посвящены врожденным аномалиям, таким как митральные щели. Одно из таких исследований продемонстрировало важность полного закрытия щели для восстановления компетентности клапана⁶.

Этот метод особенно подходит для исследователей и клиницистов, заинтересованных в оценке результатов лечения врожденных или сложных патологий митрального клапана в контролируемой среде. Извлекая митральный аппарат из сердец ягненка, выбранный из-за их анатомического сходства с педиатрическими клапанами, и устанавливая его в специальный силиконовый держатель в симуляторе пульсирующего потока, система воспроизводит реалистичную гемодинамику и позволяет проводить серийные испытания. Важно отметить, что эта модель позволяет избежать экспериментов на живых животных и обеспечивает адаптируемую платформу для моделирования регургитации, стеноза, щели или подклапанного слияния⁸.

В этом исследовании была использована система Vivitro Pulse Duplicator System для оценки эффективности митрального клапана и моделирования сердечной функции. Процедура начиналась с активации системного программного обеспечения, после чего следовал выбор соответствующих параметров формы сигнала, таких как систолическое отношение к диастолическому, частота сердечных сокращений (ударов в минуту) и длина волны. Впоследствии митральный клапан был вставлен в испытательную камеру дубликатора, и все необходимые датчики были подключены. Файл калибровки был открыт, и одновременно была запущена система, чтобы гарантировать, что весь воздух был удален из датчиков и трубок после установки датчика. Чтобы гарантировать точность измерений, было крайне важно, чтобы весь контур жидкости был лишен кислорода и полностью заполнен солевым раствором. Когда система находилась в установившемся режиме, объем хода изменялся на 25 мл. Сбор данных начинался с записи 10 циклов, когда в системе не было обнаружено утечек или ошибок. Затем сгенерированные данные были экспортированы в формате электронной таблицы для дальнейшего анализа. Количественная оценка исследования была облегчена благодаря способности системы автоматически вычислять большинство необходимых параметров, включая объем регургитанта и несколько измерений давления (рис. 1A).

Таким образом, эта модель ex vivo предлагает стандартизированный, биологически значимый подход к изучению восстановления митрального клапана, преодолевая разрыв между моделированием in silico и тестированием in vivo , а также расширяя трансляционную ценность хирургических инноваций.

Protocol

Это исследование проводилось с использованием сердец ягненка, полученных после смерти на лицензированной скотобойне. Согласно решению Местного комитета по этике экспериментов на животных Стамбульского университета-Джеррахпаша (2025/11), эта работа подпадает под исключение, изложенное в статье 8 (8-k1) директивы HADYEK, и поэтому не требует этического одобрения.

1. Настройка эксперимента

1. Дублируйте митральный компонент притока в системе дупликатора импульсов с помощью программного обеспечения для 3D-моделирования. Создайте цифровую копию существующей геометрии для обеспечения совместимости. Напечатайте дизайн с помощью филамента PLA на 3D-принтере. Используйте напечатанную форму для отливки силиконовой камеры впуска. После отверждения интегрируйте силиконовую часть в систему, убедившись, что она надежно прилегает и сохраняет надлежащую герметичность (Рисунок 1B, C).
2. Приобретайте сердца ягненка на ближайшей скотобойне, уделяя особое внимание тому, чтобы сердца были получены после смерти для сохранения их физиологического состояния. После сбора храните сердца отдельно при температуре -20 °C в морозильной камере, чтобы сохранить их структурную целостность, или немедленно используйте их в экспериментальных процедурах.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Все эксперименты проводились с соблюдением соответствующих мер предосторожности. Перчатки и капюшоны использовались повсюду, а все хирургические инструменты стерилизовались спиртом после каждого использования.

2. Забор митрального клапана

1. Вентрикулотомия и резекция правого желудочка и предсердия
   1. Сделайте поперечный разрез на верхушке сердца с помощью хирургических ножниц. Разрез следует расширить вверх по направлению к правому желудочку вдоль межжелудочковой борозды. Будьте осторожны, чтобы не травмировать сосочковые мышцы во время этого вскрытия. На рисунке 2А - В указана траектория разреза и анатомические ориентиры.
   2. Резекция свободной стенки правого желудочка с помощью хирургических ножниц для увеличения экспозиции. Продолжайте иссекать правое предсердие en bloc , чтобы полностью обнажить межжелудочковую перегородку. Это воздействие имеет решающее значение для последующего рассечения подклапанных структур (рис. 3A, B).
2. Разрез межжелудочковой перегородки (ВВС)
   1. Визуализируйте митральный клапан от корня аорты в полость левого желудочка. Определите переднюю створку, основываясь на ее ориентации под плоскостью аортального клапана. Обеспечьте полное обнажение створки перед разрезом перегородки (рисунок 4A).
   2. С помощью тонких хирургических ножниц надрежьте IVS, начиная от корня аорты на контралатеральной стороне передней митральной створки. Продлите разрез вниз вдоль перегородки по направлению к ранее сделанному апикальному разрезу. Откройте перегородку, чтобы обнажить полость левого желудочка без повреждения подклапанных структур (рисунок 4B).
3. Диссекция сосочковых мышц
   1. Обнажите левый желудочек и иссеките сосочковые мышцы с помощью тонких ножниц. Сохраняйте сухожильные хорды для поддержания функциональности митрального клапана (Рисунок 4C).
4. Иссечение левого предсердия
   1. Иссеките ушок левого предсердия по окружности, чтобы улучшить визуализацию митрального кольца сверху (рис. 5A, B).
   2. Переместите сосочковые мышцы вверх через левое предсердие, чтобы инвертировать митральный клапан и безопасно обнажить их с поверхности желудочка для иссечения (рис. 6A).
   3. Обрежьте избыток ткани вокруг митрального кольца, обеспечив сохранение не менее 10 мм ткани по окружности для поддержания анатомической целостности и функции (Рисунок 6B).
5. Удаление легочной и аортальной ткани
   1. Удалите остатки ткани из аорты и легочной артерии, чтобы предотвратить вмешательство при размещении митрального аппарата в силиконовой форме.

3. Помещение митрального клапана в силиконовую форму

1. Измерения митрального клапана
   1. Измерьте длину створок переднего и заднего митрального клапана вдоль переднезадней оси, чтобы оценить размеры створок (рис. 7A, B).
   2. Запишите длину митрального клапана вдоль медиолатеральной оси для использования при последующей подгонке пресс-формы и анализе размеров (Рисунок 7C).
   3. Оцените краниокаудальную длину зоны коаптации примерно в 1/4 переднезадней длины заднего листочка. Измерьте это расстояние, чтобы оценить перекрытие створки и способность к герметизации.
   4. Используйте измеренные размеры для расчета соответствующего кольцевого ретенционного запаса. Выберите силиконовую форму диаметром 30 мм, чтобы обеспечить оптимальную посадку и стабилизацию митрального аппарата (рис. 8A). Используйте уравнения ниже:
      а = (30-х)/2
      Где a = расстояние, которое должно остаться от спаек; x = измеренная длина медиально-боковой оси.
      b = (30 - z y) /2−расчетная длина ZC
      Где b = представляет оставшееся расстояние в передней и задней створке; y = длина задней створки; z = длина передней створки.
   5. После измерений соедините все точки, чтобы сформировать непрерывный круговой контур, представляющий область, которую необходимо пришить к силиконовой форме (Рисунок 8B).
2. Крепление тканей и прикрепление сухожильных хорд
   1. Установите ткань митрального клапана на силиконовую форму, используя 16 U-образных швов для фиксации кольца и поддержания его анатомического положения (Рисунок 9A).
   2. Завяжите сухожильные хорды в местах прикрепления сосочковых мышц с помощью плетеных полиэфирных швов с покрытием 2-0.
   3. Проденьте швы через отверстительное отверстие у основания желудочковой камеры и закрепите их, чтобы смоделировать физиологическое напряжение сосочковых мышц. Натяжение створки регулировалось визуально для того, чтобы края створки оставались на одной линии с плоскостью затрубного пространства и не выступали над ним. (Рисунок 9В).
   4. Расположите швы под максимальным натяжением в тракте отверстия левого желудочка PDS, обеспечивая стабилизацию митрального клапана без индуцирования смещения (рис. 10A, B).

4. Первичное тестирование (Базовая модель)

1. Поместите подготовленную модель митрального клапана в симулятор пульсирующего потока для базового гемодинамического тестирования. Настройте систему в соответствии с физиологическими условиями у детей: частота сердечных сокращений 120 ударов в минуту и сердечный выброс 2,0 л/мин.
2. Заполните систему импульсного дупликатора физиологическим раствором, гарантируя, что во всем контуре нет пузырьков воздуха, для поддержания точных измерений давления и расхода.
3. Обнулите систему дупликаторов импульсов перед инициализацией, чтобы обеспечить точность всех последующих измерений.
4. Инициализируйте систему, и как только желаемый объем удара будет достигнут, нажмите «Захват », чтобы записать гемодинамические измерения.
5. Оцените функцию митрального клапана с помощью эхокардиографической визуализации из верхней и прозрачной камеры предсердий для оценки таких параметров, как трансмитральный градиент и тяжесть регургитации, обеспечивая всестороннюю функциональную оценку модели клапана (рис. 10C).

Results

Исходные гемодинамические данные были получены из пяти экспериментов ex vivo с использованием нативных митральных клапанов, установленных в специальном силиконовом держателе в системе дупликатора импульсов. Модель была перфузирована в стандартизированных физиологических условиях у детей (сердечный выброс: 2 л/мин; ЧСС: 120 уд/мин), а функциональная оценка проводилась с использованием датчиков давления и эхокардиографической визуализации.

Фракция регургитации колебалась от 15,9% до 26,...

Discussion

Целью данного исследования была разработка модели, воспроизводящей митральный клапан в педиатрическом гемодинамическом состоянии, что послужило основанием для нашего выбора в пользу использования бараньих сердец в качестве экспериментальной основы. Этот выбор был обусловлен близким сходством размеров между митральным клапаном ягненка и митральным клапаном у педиатрических пациентов. Анатомически сердце ягненка имеет более вентрально наклоненную ориентацию вдоль своей продольной оси по ср...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
2-0 Плетеный полиэфирный шовный материал с покрытием	Covidien	88863230-56	Стабилизация папиллярных мышц во время тестирования
3D-принтер	Ultimaker	Ultimaker S3	Используется для изготовления силиконовых форм
на заказ 5-0 Монофиламент Полипропиленовый шовный материал, двойной рукав	Covidien	VPF-720-X	Пришивание клапана к силиконовой форме
Атравматические щипцы	DeBakeyAesculap	MB062R	Работа с тканями во время вскрытия
Свежие бараньи сердца	Лицензированная скотобойня	—	Источник нативных митральных клапанов
Ножницы для диссекции Майо	Aesculap	BC252B	Общая диссекция сердца
Микроиглодержатель	Aesculap	FM538R	Наложение швов на митральный клапан
Ножницы Нельсона-Метценбаума	Aesculap	BC606R	Используется для разрезания швов
Система импульсного дубликатора	ViVitro Labs	18363	Имитация физиологического потока для тестирования клапанов
Силиконовые формы	—	Изготовлен по индивидуальному заказу	Используется для репликации геометрии желудочков
Стерильный физиологический раствор (0,9%)	Elabscience	PB180353	Среда для перфузионной схемы