Обработка биологических протезов клапанов сердца эпоксисоединениями (экспериментальное исследование)

Актуальность проблемы. Биологические протезы клапанов сердца, применяемые в клинической практике около сорока лет, в последние годы широко используются при коррекции клапанных пороков сердца, особенно в зарубежных клиниках (Edwards М.В., Taylor К.М., 1999; Bessler А., 2001).

Важнейшим этапом в изготовлении биологических протезов является структурная стабилизация ксеногенной ткани химическими агентами, способными образовывать прочные поперечные связи с молекулами коллагена (Малиновский Н.Н. и соавт., 1988; Барбараш JI.C. и соавт., 1994а). Обработка ксеногенных клапанов проводится с целью получения биологической инертности их ткани (устранения иммуногенности и обеспечения устойчивости к ферментативному гидролизу). Начиная с 1967 года, преимущественно используется глютаровый альдегид (Carpentier A. et al., 1969). Данный химический агент обеспечивает стерильность биологической ткани и устойчивость ее к действию протеолитических ферментов (Малиновский Н.Н. и соавт, 1988; Шапошников А. Н., 1992; Fisher J. et al, 1987). Однако глютаральдегид ухудшает эластические свойства биологической ткани, снижает ее гидрофильность, провоцирует образование в ней центров дистрофической кальцификации (Журавлева И.Ю., 1995; Christie G.W., 1992; Hilbert S.L., et al., 1996; Talman E.A., Boughner D.R., 2001). Изменения механических свойств биоткани вызывают ухудшение макробиомеханики биопротеза, образование деформаций преимущественно в области комиссур (особенно при наличии стента), что также провоцирует развитие локусов тканевой дегенерации и кальцификации (Thubrikar M.J. et al., 1982, 1983; Sabbah H.N. et al., 1986). Свободные остатки глютаральдегида, оказывая цитотоксическое воздействие на окружающие ткани больного, усугубляют дистрофическую кальцификацию (Speer D.P., et al, 1980; Grobe A.C., et al, 2000), задерживают процесс «вживления» и эндотелизации биопротеза (Thriene G. et al., 2002).

Разработка антикальцификационной защиты, совершенствование дизайна и технологии изготовления не решили в полной мере проблемы ограниченной износоустойчивости биопротезов, обработанных глютаральдегидом (Herijgers P., et al, 1999; Cunanan С.М., et al, 2001; Flameng W., et al, 2001; Melina G., et al, 2001; Shargall Y, et al, 2001).

В настоящее время продолжается поиск новых стабилизаторов биотканей, лишенных многих недостатков глютарового альдегида. Альтернативными стабилизаторами биотканей являются химические агенты из класса эпоксисоединений, вещества растительного (генипин) и бактериального (реутерин) происхождения и карбодиимины (Барбараш JI.C. и соавт., 19 946- Girardot J.M., Girardot M.N., 1996; Sung H.W., et al., 1998; Chen C.N., et al., 2002). Также для обработки биоклапанов применяется новый метод фотофиксации (Westaby S. et al., 1999).

Наиболее перспективными химическими агентами являются эпоксисоединения, обладающие низкой цитотоксичностью и выраженным антикальцификационным эффектом (Шапошников А. Н., 1992; Журавлева И. Ю., 1995; Imamura Е., et al., 1989; Lohre J.M., et al, 1992). Ксеноклапаны, обработанные эпоксидами, показали в экспериментах in vivo и ex vivo высокие гемодинамические характеристики (Sung H.W. et al., 1993b, 1994) и в последние годы все шире применяются в клинической практике (Семеновский M. JL, Соколов В. В., 2001; Караськов A.M. и соавт., 2002; Барбараш JI.C. и соавт., 2003).

Однако многие вопросы технологии структурной стабилизации, стерилизации и консервации биотканей эпоксисоединениями, в том числе и ксеноаортальных протезов, остаются не решенными, а свойства таких тканей изучены недостаточно. В частности, продолжаются дискуссии относительно выбора рН растворов эпоксисоединений для обработки биотканей (Sung H.W., et al., 1996bLevy R.J., Lerner E., 1997; Ни C.B., et al., 1999). Практически не исследовано влияние рН раствора эпоксидов на механические характеристики ткани биопротезов.

Недостаточно изучено влияние физических факторов (внутриаортального давления, потока, положения створок, градиента давления на створках, режимов дубления и др.) на степень стабилизации и механические свойства ткани биоклапанов в процессе их обработки. (Imamura Е., et al, 1982; Christie G.W., 1992; Vesely I., et al, 1993bDuncan A.C., et al, 1996, 1997).

В литературе ограниченно отражен вопрос о бактерицидном эффекте эпоксисоединений, изменении механических свойств биопротезов в процессе их хранения (Шапошников А.Н., 1992; Chan-Myers Н.В., et al, 1992; Vincentelli A, et al, 1998).

Таким образом, недостатки существующих методик обработки и хранения биопротезов явились поводом для поиска новых консервантов и комплексного изучения влияния физико-химических и физических факторов на процесс дубления ткани эпоксидами и ее механические характеристики.

Цель исследования. Экспериментально разработать оптимальные условия проведения структурной стабилизации, стерилизации и консервации ксеноаортальных протезов эпоксисоединениями, применение которых позволит улучшить результаты хирургического лечения больных с клапанными пороками сердца.

Задачи исследования:

1. Изучить влияние концентрации диглицидилового эфира этиленгликоля и его смесей с моноглицидиловым эфиром этиленгликоля на скорость, степень фиксации и стабилизации ткани створок, и их механические характеристики.

2. Изучить влияние рН дубящего раствора эпоксидов на скорость, степень фиксации и стабилизации ткани створок, и их механические характеристики.

3. Изучить влияние стационарного и динамического режима дубления ксеноклапанов эпоксидами на скорость, степень фиксации и стабилизации ткани створок, и их механические характеристики.

4. Изучить антибактериальные свойства диглицидилового и моноглицидилового эфира этиленгликоля в зависимости от их концентрации, а также состава их смеси относительно растворов альдегидов и диоксидина.

5. Провести антибактериальный контроль эффективности консервации биопротезов эпоксисоединениями и диоксидином.

6. Изучить влияние растворов диоксидина на механические характеристики и ферментативную устойчивость обработанной ткани биопротезов после их длительного хранения.

Научная новизна и практическая значимость работы.

Исследовано влияние концентрации и типа эпоксисоединения, рН их растворов и физических факторов на изменения эластических характеристик ткани ксеноаортальных клапанов, а также проведен сравнительный анализ эластических свойств створок этих клапанов, обработанных глютаральдегидом и эпоксисоединениями.

Проведена комплексная оценка влияния, физико-химических и физических факторов на процесс фиксации и стабилизации ткани ксеноаортальных клапанов эпоксисоединениями.

Изучена антибактериальная активность эпоксисоединений в зависимости от концентрации, типа соединения и состава смеси. Доказана возможность использования смеси монои диэпоксида для стерилизации ксеноаортальных протезов.

Проведено комплексное исследование возможности использования диоксидина в качестве нового консерванта для хранения биопротезов взамен традиционно используемых растворов стабилизирующих веществ.

Разработанная методика структурной стабилизации, стерилизации и консервации может быть использована при изготовлении ксеноаортальных протезов для клинической апробации.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Максимальная степень структурной стабильности ткани может быть достигнута малыми концентрациями эпоксисоединений при оптимальной комбинации физико-химических и физических условий обработки ксеноаортальных клапанов.

2. Обработка ксеноаортальных клапанов в динамическом режиме при внутриаортальном давлении не более 25 — 30 мм рт. ст. смесью монои диглицидилового эфира этиленгликоля в малых концентрациях позволяет максимально сохранить эластические свойства ткани створок и достигнуть ее удовлетворительной устойчивости к ферментативному гидролизу.

3. Эпоксисоединения по сравнению с глютаральдегидом при обработке ксеноклапанов обеспечивают большую, растяжимость и меньшую жесткость ткани их створок.

4. Бактерицидный эффект моноглицидилового эфира этиленгликоля превосходит бактерицидный эффект диглицидилового эфира этиленгликоля. Смесь этих соединений обладает выраженной антибактериальной активностью, сравнимой с растворами альдегидов в общепринятых концентрациях, и может применяться для стерилизации ксеноаортальных протезов.

5. Растворы диоксидина являются приемлемым консервантом для хранения биопротезов, поскольку сохраняют их стерильность в течение не менее одного года, не оказывают существенного влияния на механические характеристики их ткани и ее устойчивость к ферментативному гидролизу, достигнутую на этапе обработки эпоксисоединениями.

Апробация и реализация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на TV, V, VI и VII Всероссийских съездах сердечнососудистых хирургов (Москва 1998, 1999, 2000 и 2001 гг.), третьей ежегодной сессии НЦССХ им. А. Н. Бакулева РАМН (Москва 1999 г.). Разработанные оптимальные условия обработки ткани створок реализованы в технологии динамического дубления ксеноклапанов, стерилизации и хранения биопротезов на кафедре госпитальной хирургии № 1 ГОУ ВПО СПбГМУ им. акад. И. П. Павлова Росздрава (197 022, Санкт-Петербург, ул. Л. Толстого, 6/8). Результаты диссертационной работы внедрены в исследования механических характеристик биологических тканей на кафедре прикладной механики и инженерной графики СПбГЭТУ «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина) (197 376, Санкт-Петербург, ул. проф. Попова, 5) и на кафедре хирургических болезней № 2 ГОУ ВПО СПбГМА им. И. И. Мечникова Росздрава (195 067, Санкт-Петербург, Пискаревский пр., 47). Основные научные положения диссертации используются в лекциях и практических занятиях со студентами на кафедре госпитальной хирургии № 1 ГОУ ВПО СПбГМУ им. акад. И. П. Павлова Росздрава (197 022, Санкт-Петербург, ул. Л. Толстого, 6/8).

Публикации и изобретательская деятельность. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, включая 3 журнальные статьи и один патент.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, обсуждения, выводов, практических рекомендаций и списка литературы. Работа изложена на 125 страницах машинописного текста, содержит 26 таблиц и 19 рисунков.

Список литературы

включает 27 отечественных и 175 зарубежных источников.

103 Выводы.

1. Использование смеси монои диглицидилового эфира этиленгликоля малой концентрации позволяет ускорить процесс дубления ткани ксеноклапанов, достигнуть высокой степени ее стабильности, повысив прочностные и сохранив в значительной степени ее исходные эластические характеристики. Высокие концентрации диглицидилового эфира этиленгликоля (5%) в дубящем растворе значительно ухудшают эластические свойства ткани ксеноклапанов.

2. Использование щелочных растворов эпоксидов относительно нейтральных позволяет ускорить процесс дубления ксеноклапанов. Дубление ксеноклапанов в щелочных растворах эпоксидов с рН более 9,0 вызывает существенное ухудшение эластических свойств их ткани.

3. Динамический режим обработки ксеноклапанов эпоксидами ускоряет процесс дубления и повышает степень структурной стабильности их ткани. Стационарный режим обработки с минимальным гидростатическим давлением на створках ксеноклапанов приводит к значительному ухудшению их эластических свойств.

4. Моноглицидиловый эфир этиленгликоля обладает более выраженным антибактериальным действием по сравнению с диглицидиловым эфиром этиленгликоля. Смесь эпоксидов обладает высоким антибактериальным эффектом, близким к растворам альдегидов и диоксидина.

5. Хранение ксеноаортальных протезов в растворах эпоксисоединений приводит к ухудшению эластических свойств ткани их створок. Хранение ксеноаортальных протезов в растворе диоксидина позволяет сохранить их стерильность, а также структурную стабильность и механические характеристики их ткани, достигнутые на этапе дубления.

Практические рекомендации.

1. Комплексную оценку разрабатываемых ксеноаортальных протезов следует производить с учетом упруго-прочностных характеристик ткани их створок.

2. Структурную стабилизацию ксеноклапанов рекомендуется осуществлять смесью моноглицидилового и диглицидилового эфира этиленгликоля в концентрации 1 — 2% в динамическом режиме с внутриаортальным давлением до 25 — 30 мм рт. ст.

3. Обработку ксеноаортальных клапанов целесообразно осуществлять в нейтральных или в течение непродолжительного времени в умеренно щелочных (рН до 9,0) растворах эпоксисоединений.

4. Хранение ксеноаортальных протезов рекомендуется осуществлять в 0,5 — 1% растворе диоксидина, не требующем продолжительной отмывки перед имплантацией.