Сърдечни клапи

Преди се е смятало, че всички сърдечни клапи са прости структури, чийто принос за еднопосочния кръвен поток е просто пасивно движение в отговор на приложен градиент на налягане. Това разбиране за „пасивните структури“ доведе до разработването на „пасивни“ механични и биологични заместители на клапите.

Сега става очевидно, че сърдечните клапи имат по-сложна структура и функция. Следователно, създаването на „активен“ заместител на сърдечната клапа предполага значително сходство по структура и функция с естествената сърдечна клапа, което в бъдеще е съвсем реалистично благодарение на развитието на тъканното инженерство.

Сърдечните клапи се развиват от ембрионални рудименти на мезенхимна тъкан по време на образуването на ендокарда. По време на морфогенезата се формират атриовентрикуларният канал (трикуспидална и митрална сърдечни клапи) и камерният изходен тракт (аортна и белодробна сърдечни клапи).

[ 1 ], [ 2 ], [ 3 ], [ 4 ], [ 5 ]

Как са разположени сърдечните клапи?

Изследването на кръвоснабдяването на клапите е инициирано от Н. Лушка (1852), който инжектира контрастна маса в сърдечните съдове. Той открива множество кръвоносни съдове в сводовете на атриовентрикуларните и полулунните клапи на аортата и белодробната артерия. Същевременно редица ръководства по патологична анатомия и хистология съдържат указания, че непроменените човешки сърдечни клапи не съдържат кръвоносни съдове, а последните се появяват в клапите само при различни патологични процеси - атеросклероза и ендокардит с различна етиология. Информацията за липсата на кръвоносни съдове се основава главно на хистологични изследвания. Предполага се, че при липса на кръвоносни съдове в свободната част на сводовете, тяхното хранене се осъществява чрез филтриране на течност от кръвната плазма, измиваща сводовете. Отбелязано е проникване на няколко съда заедно с влакна от набраздена мускулна тъкан в основите на клапите и сухожилните хорди.

Въпреки това, при инжектиране на различни багрила в сърдечните съдове (индийско мастило в желатин, бисмут в желатин, водна суспензия от черно индийско мастило, разтвори на кармин или трипаново синьо), е установено, че съдовете проникват в атриовентрикуларните сърдечни клапи, аортните клапи и белодробната артерия заедно със сърдечната мускулна тъкан, малко преди да достигнат свободния ръб на клапата.

В рехавата фиброзна съединителна тъкан на куспите на атриовентрикуларната клапа са открити отделни главни съдове, анастомозиращи със съдове в съседни области на набраздената мускулна тъкан на сърдечния мускул.

Най-голям брой кръвоносни съдове са разположени в основата, а сравнително по-малък брой - в свободната част на тези клапи.

Според К. И. Кулчицки и др. (1990), в митралната клапа се установява по-голям диаметър на артериалните и венозните съдове. В основата на клапите на тази клапа са разположени предимно главните съдове с теснобричкова мрежа от капиляри, проникващи в базалната част на клапата и заемащи 10% от площта ѝ. В трикуспидалната клапа артериалните съдове имат по-малък диаметър, отколкото в митралната клапа. В клапите на тази клапа има предимно разпръснати съдове и сравнително широки бримки от кръвоносни капиляри. В митралната клапа предната клапа се кръвоснабдява по-интензивно, в трикуспидалната клапа - предната и задната клапи, които изпълняват основната затваряща функция. Съотношението на диаметрите на артериалните и венозните съдове в атриовентрикуларните клапи на сърцето на възрастните хора е 1:1,5. Капилярните бримки са многоъгълни и са разположени перпендикулярно на основата на клапните бримки. Съдовете образуват планарна мрежа, разположена под ендотела от предсърдната страна. Кръвоносни съдове се намират и в сухожилните хорди, където те проникват от папиларните мускули на дясната и лявата камера на разстояние до 30% от дължината на сухожилните хорди. Многобройни кръвоносни съдове образуват дъговидни бримки в основата на сухожилните хорди. Сърдечните клапи на аортата и белодробния ствол се различават значително от атриовентрикуларните клапи по отношение на кръвоснабдяването. Главните съдове с относително по-малък диаметър се приближават до основата на полулунните клапи на аортата и белодробния ствол. Късите клони на тези съдове завършват с капилярни бримки с неправилна овална и многоъгълна форма. Те са разположени главно близо до основата на полулунните клапи. Венозните съдове в основата на аортната и белодробната клапа също имат по-малък диаметър от тези в основата на атриовентрикуларните клапи. Съотношението на диаметрите на артериалните и венозните съдове в аортната и белодробната клапа на сърцето на зрелите хора е 1:1,4. Къси странични клони се простират от по-големите съдове, завършващи с бримки от капиляри с неправилна овална и многоъгълна форма.

С възрастта се наблюдава загрубяване на влакната на съединителната тъкан, както колагенови, така и еластични, както и намаляване на количеството на рохкава фиброзна неоформена съединителна тъкан, развива се склероза на тъканта на атриовентрикуларните клапни створки и полулунните створки на аортната и белодробната артерия. Дължината на набраздените мускулни влакна на сърдечните клапи намалява и следователно намалява количеството им и броят на кръвоносните съдове, проникващи в сърдечните клапи. Поради тези промени сърдечните клапи губят своите еластични и устойчиви свойства, което влияе върху механизма на затваряне на клапата и хемодинамиката.

Сърдечните клапи имат мрежи от лимфни капиляри и малък брой лимфни съдове, снабдени с клапи. Лимфните капиляри на куспите имат характерен вид: луменът им е много неравномерен, един и същ капиляр в различни области има различен диаметър. На места, където се сливат няколко капиляра, се образуват разширения - лакуни с различни форми. Бримките на мрежите често са неправилни многоъгълни, по-рядко овални или кръгли. Често бримките на лимфните мрежи не са затворени и лимфните капиляри завършват сляпо. Бримките на лимфните капиляри са ориентирани най-често в посока от свободния ръб на куспите към тяхната основа. В някои случаи в куспите на атриовентрикуларната клапа е открита двуслойна мрежа от лимфни капиляри.

Ендокардиалните нервни плексуси са разположени в различните му слоеве, главно под ендотела. По свободния ръб на клапните струпвания нервните влакна са разположени предимно радиално, свързвайки се с тези на сухожилните хорди. По-близо до основата на струпванията се образува едромрежест нервен плексус, който се свързва със плексуса, разположен около фиброзните пръстени. Върху полулунните струпвания ендокардиалната нервна мрежа е по-рядка. На мястото на прикрепване на клапите тя става гъста и многослойна.

Клетъчна структура на сърдечните клапи

Клапните интерстициални клетки, отговорни за поддържането на структурата на клапата, са с удължена форма с множество фини израстъци, които се простират през цялата клапа. Съществуват две популации от клапни интерстициални клетки, които се различават по морфология и структура; едната има контрактилни свойства и се характеризира с наличието на контрактилни фибрили, другата има секреторни свойства и има добре развит ендоплазмен ретикулум и апарат на Голджи. Контрактилната функция се съпротивлява на хемодинамичното налягане и се поддържа допълнително от производството както на сърдечни, така и на скелетни контрактилни протеини, които включват тежките вериги на алфа- и бета-миозина и различни изоформи на тропонина. Контракцията на сърдечния клапен лист е демонстрирана в отговор на редица вазоактивни агенти, което предполага координиран биологичен стимул за успешна клапа.

Интерстициалните клетки също са съществени компоненти на системата за възстановяване на структури като сърдечните клапи. Постоянното движение на клапните платна и свързаната с това деформация на съединителната тъкан причиняват увреждане, на което клапните интерстициални клетки реагират, за да поддържат целостта на клапата. Процесът на възстановяване изглежда е жизненоважен за нормалната функция на клапата, а липсата на тези клетки в съвременните модели на изкуствени клапи вероятно е допринасящ фактор за структурното увреждане на биопротезите.

Важна област на изследване на интерстициалните клетки е изучаването на взаимодействията между тях и околната матрица, медиирани от фокални адхезионни молекули. Фокалните адхезии са специализирани места за взаимодействие клетка-матрикс, които свързват клетъчния цитоскелет с матричните протеини чрез интегрини. Те също така действат като места за сигнална трансдукция, предавайки механична информация от извънклетъчната матрица, която може да предизвика реакции, включително, но не само, клетъчна адхезия, миграция, растеж и диференциация. Разбирането на клетъчната биология на клапните интерстициални клетки е жизненоважно за изясняване на механизмите, чрез които тези клетки взаимодействат помежду си и с околната среда, така че тази функция да може да бъде рекапитулирана в изкуствени клапи.

Във връзка с развитието на обещаващо направление в тъканното инженерство на сърдечните клапи, се провеждат изследвания на интерстициални клетки с помощта на широк спектър от техники. Наличието на клетъчен цитоскелет се потвърждава чрез оцветяване за виментин, десмин, тропонин, алфа-актин и гладкомускулен миозин, тежки вериги на алфа- и бета-миозин, леки вериги-2 на сърдечния миозин, алфа- и бета-тубулин. Клетъчната контрактилност се потвърждава с положителен отговор на епинефрин, ангиотензин II, брадикинин, карбахол, калиев хлорид, ендотел I. Клетъчните взаимовръзки се определят чрез функционални взаимодействия и се проверяват чрез микроинжекции с карбоксифлуоресцеин. Матриксната секреция се установява чрез оцветяване за пролил-4-хидроксилаза/колаген тип II, фибронектин, хондроитин сулфат, ламинин. Инервацията се установява от близкото разположение на двигателните нервни окончания, което се отразява от активността на невропептид Y тирозин хидроксилаза, ацетилхолинестераза, вазоактивен чревен полипептид, субстанция-P, пептид, свързан с гена на капсикума. Митогенните фактори се оценяват чрез тромбоцитен растежен фактор, основен фибробластен растежен фактор, серотонин (5-HT). Изследваните интерстициални клетъчни фибробласти се характеризират с непълна базална мембрана, дълги, тънки цитоплазмени израстъци, тясна връзка с матрикса, добре развит неравномерен ендоплазмен ретикулум и апарат на Голджи, богатство от микрофиламенти, образуване на адхезионни връзки.

Клапните ендокардиални клетки образуват функционална атромбогенна обвивка около всяка сърдечна клапа, подобна на съдовия ендотел. Широко използваният метод за смяна на клапа елиминира защитната функция на ендокарда, което може да доведе до отлагане на тромбоцити и фибрин върху изкуствените клапи, развитие на бактериална инфекция и калцификация на тъканите. Друга вероятна функция на тези клетки е регулирането на подлежащите клапни интерстициални клетки, подобно на регулирането на гладкомускулните клетки от ендотела. Съществуват сложни взаимодействия между ендотела и съседните клетки, медиирани отчасти от разтворими фактори, секретирани от ендотелните клетки. Тези клетки образуват огромна повърхност, покрита с микроиздатини от луминалната страна, като по този начин увеличават експозицията и евентуалното взаимодействие с метаболитни вещества в циркулиращата кръв.

Ендотелът често показва морфологични и функционални разлики, причинени от срязващи напрежения върху стената на съда, дължащи се на кръвния поток, и това важи и за клапните ендокардиални клетки, които приемат удължена или многоъгълна форма. Промени в клетъчната структура могат да възникнат поради действието на локалната хемодинамика върху компонентите на клетъчния цитоскелет или вторични ефекти, причинени от промени в подлежащия извънклетъчен матрикс. На ултраструктурно ниво клапните ендокардиални клетки притежават междуклетъчни връзки, плазмени везикули, грапав ендоплазмен ретикулум и апарат на Голджи. Въпреки че произвеждат фактор на фон Вилебранд както in vivo, така и in vitro, те нямат телца на Вайбел-Паладе (специфични гранули, съдържащи фактор на фон Вилебранд), които са органели, характерни за съдовия ендотел. Клапните ендокардиални клетки се характеризират със силни връзки, функционални взаимодействия между цепнатини и припокриващи се маргинални гънки.

Ендокардиалните клетки запазват метаболитната си активност дори in vitro: те произвеждат фактор на фон Вилебранд, простациклин, синтаза на азотен оксид, демонстрират активност на ангиотензин-конвертиращия ензим и интензивно секретират адхезионни молекули ICAM-1 и ELAM-1, които са важни за свързването на мононуклеарните клетки по време на развитието на имунен отговор. Всички тези маркери трябва да се вземат предвид при отглеждането на идеална клетъчна култура за създаване на изкуствена клапа с помощта на тъканно инженерство, но имуностимулиращият потенциал на самите клапни ендокардиални клетки може да ограничи тяхното приложение.

Екстрацелуларният матрикс на сърдечните клапи се състои от фиброзни колагенови и еластинови макромолекули, протеогликани и гликопротеини. Колагенът представлява 60% от сухото тегло на клапата, еластинът - 10%, а протеогликаните - 20%. Колагеновият компонент осигурява основната механична стабилност на клапата и е представен от колагени от типове I (74%), II (24%) и V (2%). Снопчетата колагенови нишки са обградени от еластинова обвивка, която медиира взаимодействията между тях. Гликозаминогликановите странични вериги на протеогликановите молекули са склонни да образуват гелообразно вещество, в което други матрични молекули взаимодействат, за да образуват постоянни връзки, и се отлагат други компоненти. Гликозаминогликаните на човешките сърдечни клапи се състоят главно от хиалуронова киселина, в по-малка степен от дерматан сулфат, хондроитин-4-сулфат и хондроитин-6-сулфат, с минимално количество хепаран сулфат. Ремоделирането и обновяването на матричната тъкан се регулират от матрични металопротеинази (ММП) и техните тъканни инхибитори (ТИ). Тези молекули участват и в по-широк спектър от физиологични и патологични процеси. Някои металопротеинази, включително интерстициални колагенази (MMP-1, MMP-13) и желатинази (MMP-2, MMP-9) и техните тъканни инхибитори (TI-1, TI-2, TI-3), се откриват във всички сърдечни клапи. Прекомерното производство на металопротеинази е характерно за патологичните състояния на сърдечната клапа.

[ 6 ], [ 7 ], [ 8 ], [ 9 ], [ 10 ], [ 11 ], [ 12 ], [ 13 ], [ 14 ], [ 15 ], [ 16 ]

Сърдечни клапи и тяхната морфологична структура

Сърдечните клапи се състоят от три морфологично различни и функционално значими слоя на матрицата на платната: фиброзен, гъбест и камерен.

Фиброзният слой образува устойчива на натоварване рамка за клапата, състояща се от слоеве колагенови влакна. Тези влакна са разположени радиално в гънки, за да позволят на артериалните клапи да се разтягат при затваряне. Фиброзният слой се намира близо до изходната външна повърхност на тези клапи. Фиброзният слой на атриовентрикуларните клапи служи като продължение на колагеновите снопове на сухожилните хорди (chordae tendineae). Той е разположен между гъбестия (входния) и камерния (изходния) слой.

Между фиброзния и вентрикуларния слой се намира гъбестият слой (spongiosa). Гъбестият слой се състои от слабо организирана съединителна тъкан във вискозна среда. Доминиращите матрични компоненти на този слой са протеогликани с произволно ориентиран колаген и тънки слоеве еластин. Страничните вериги на протеогликановите молекули носят силен отрицателен заряд, което влияе върху високата им способност да свързват вода и да образуват порест матричен гел. Гъбестият слой на матрицата намалява механичното напрежение в клапите на сърдечната клапа и поддържа тяхната гъвкавост.

Вентрикуларният слой е много по-тънък от останалите и е богат на еластични влакна, които позволяват на тъканта да се съпротивлява на постоянна деформация. Еластинът има гъбеста структура, обграждаща и свързваща колагеновите влакна и ги поддържа в неутрално сгънато състояние. Входният слой на клапата (вентрикуларен - за артериалните клапи и гъбест - за атриовентрикуларния) съдържа повече еластин от изходния, което осигурява омекотяване на хидравличния удар при затваряне на клапаните. Тази връзка между колаген и еластин позволява на клапаните да се разтягат до 40% без стабилна деформация. При излагане на малко натоварване, колагеновите структури на този слой се ориентират по посока на натоварването и устойчивостта му на по-нататъшно нарастване на натоварването се увеличава.

По този начин, идеята за сърдечните клапи като прости ендокардиални дупликации е не само опростена, но и по същество неправилна. Сърдечните клапи са сложни органи, които включват набраздени мускулни влакна, кръвоносни и лимфни съдове и нервни елементи. Както по своята структура, така и по своето функциониране, клапите са неразделна част от всички сърдечни структури. Анализът на нормалната функция на клапата трябва да вземе предвид нейната клетъчна организация, както и взаимодействието на клетките помежду си и с матрикса. Знанията, получени от подобни изследвания, са водещи в проектирането и разработването на клапни протези, използващи тъканно инженерство.