Đề tài vật LIỆU y SINH TRONG TIM và VAN TIM

Van Sinh học Là loại van lấy từ tim của động vật van dị loài đã được xử lý loại bỏ các thành phần gâythải ghép các thành phần mang tính kháng nguyên và sửa lại một phần.. Một loại van si

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA SINH HỌC -o0o -

Tiểu luận môn: VẬT LIỆU Y SINH

MỤC LỤC

I Vật liệu y sinh trong chế tạo van tim 4

3 TAVI((transcatheter aortic valve implantation) 11

4.1 Kĩ nghệ mô van tim được tạo ra dựa vào matrices dị loài đã

4.2 Kĩ nghệ mô van tim dựa vào matrices từ polyme 154.3 Kĩ nghệ mô van được tạo ra dựa vào matrices lai sinh học/ polymer 18

II Vật liệu y sinh trong chế tạo tim 22

MỞ ĐẦU:

Tim là cơ quan quan trọng, là máy bơm chuyển máu đi nuôi tế bào khắp cơ thể Do đó,các bệnh về tim có ảnh hưởng trực tiếp đến sinh mạng con người, là bệnh gây tử vonghàng đầu Hoa Kì (gần 2000 người chết mỗi ngày)

• Thế giới: Theo thống kê, mỗi năm trên thế giới có khoảng 17 triệu người chết vìbệnh tim mạch Bệnh thường gặp ở nữ giới nhiều hơn nam giới

• Việt Nam: Cứ 3 người trưởng thành có 1 người có nguy cơ mắc bệnh tim mạch,Mỗi năm, các bệnh lý về tim mạch cướp đi khoảng 200.000 người, chiếm 1/4 tổng

số trường hợp tử vong

Hiện nay, các biện pháp điều trị các hư hỏng ở tim vẫn còn hạn chế do phải lắp cácthiết bị nhân tạo hoặc cấy ghép từ người hiến tặng Việc này gây ra những bất cập nhưbệnh nhân phải uống thuốc gây giảm miễn dịch để hạn chế sự đào thải cơ quan cấy ghép,

sử dụng các thuốc chống đông máu; chi phí điều trị cao hoặc vấn đề đạo đức (buôn bánnội tạng)

I VẬT LIỆU Y SINH TRONG CHẾ TẠO VAN TIM

1 Giới thiệu về van tim:

Là những lá mỏng, mềm dẽo

Quả tim bình thường có bốn buồng tim: nhĩ trái và thất trái được ngăn cách với nhau bởivan hai lá, nhĩ phải và thất phải được ngăn cách bởi van ba lá Dòng máu từ thất phải quavan động mạch phổi để lên động mạch phổi, từ thất trái qua van động mạch chủ để vàođộng mạch chủ Vai trò của các van này là giúp dòng máu chỉ đi theo một chiều nhấtđịnh

Hoạt động của van tim:

Khi tim giãn: máu từ tâm nhĩ đổ vào tâm thất Khi đó van 2 và 3 lá mở, van bán nguyệtđóng lại

Khi tim co: máu từ tâm thất đổ ra động mạch khi đó van bán nguyệt mở

Van đóng mở 400 triệu lần mỗi năm

2 Van Sinh học

Là loại van lấy từ tim của động vật (van dị loài) đã được xử lý loại bỏ các thành phần gâythải ghép (các thành phần mang tính kháng nguyên) và sửa lại một phần Chúng được đặt lên một khung đỡ bằng kim loại hay bằng nhựa để giúp đặt vào cơ thể một cách dễ dàng

Một loại van sinh học khác là sử dụng tổ chức van lấy từ người hiến tạng (van đồng loài).Loại van này thường được thay thế cho các van động mạch

Có thể chia thành:

+ Có stent: gồm mô động vật+vòng bao quanh làm bằng nhựa hoặc kim loại

+Không stent: van người hoặc van heo hoặc cũng có thể là động mạch chủ hoặc mạch máu lớn từ cơ thể

 Van Tim Heo (pig/ porcine valve)

Đây là loại van rất giống van người về cấu trúc và chức năng

Thời gian sử dụng từ 10-15 năm

Vật liệu bao gồm

+Van heo

+Stent làm bằng hợp kim Elgiloy(Cobalt-nickel)

+Vòng bao quanh là Teflon

 Van Tim Bò ( Cow/Bovine Valve)

Không giống như van tim heo, thay vì cấu trúc thật mà lấy từ ngoại tâm mạc bò(hoặc heo/ngựa) và bao quanh bởi lớp kim loại để dễ cấy vào người hơn

Thời gian sử dụng: dưới 20 năm

+Huyết động lực học ổn định, mặc dù kích thước nhỏ(19-21 mm)

+Nguồn cung cấp nhiều

Van sinh học có 2 vấn đề quan tâm là sự thoái hóa và canxi hóa

Sự thoái hóa xảy ra khi lực dồn về tim gây ra sự “ mệt mỏi” của tim, và dẫn đến van bị hưTất cả van sinh học thường được xử lý với Glutaraldehyde(GLUT) trước khi cấy ghép vì

+ Có thể liên kết chéo với Collagene=>giảm đáp ứng miễn dịch, tăng nguy

cơ bị canxi hóa

+Giảm tính kháng nguyên+Và tế bào có khả năng sống sót cao+Duy trì và ổn định các sợi

+Giảm cơ chế stress của tim và tăng độ bền cấu trúcTuy nhiên GLUT lại

+Làm Van có thể bị thoái hóa và Canxi hóa( tăng Canxi khoáng)+Không thể liên kết với elastin và glucosaminoglycans(GAGs) ( trên mô động vật)

Nhưng nếu không xử lý với GLUT thì van bắt đầu thoái hóa nhanh chóng và rút ngắn thời gian sử dụng

Sau đó người ta thấy neomycin trisulphate, có thể ức chế hyaluronidase, kết hợp với ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide/N-hydroxysuccinimide (EDC/NHS) sau

1-đó liên kết với GLUT (NEG) trên mô Nhóm khác gồm mô liên kết chéo với EDC/NHS

và GLUT(ENG) Nhóm cuối cùng là mô xử lý với GLUT Nhóm NEG cho thấy khả năng

ức chế enzyme phân hủy GAGs hơn hẳn so với 2 nhóm kia

Tất cả nhóm đều ổn định collagene như nhau

Khi các nhóm này được cấy dưới da của chuột trên in vivo xem xét sự thoái hóa của GAGs Thì NEG mang lại kết quả tốt hơn hẳn 2 nhóm kia NEG và ENG giảm quá trình Calci hóa hơn hẳn GLUT

Hình 1: kết quả nhuộm với Alcian xanh đại diệncho GAGs khi xử lý với các chất A GLUT B.ENG C.NEG

Kết quả cho thấy GLUT bắt màu ít nhất NEG bắtmàu nhiều nhất GAGs tập trung nhiều ở vùng giữa

Hình A Phân tích hexosamine sau 3 tuần NEG duy trì được GAGs nhiều hơn so với 2 nhóm kia

Hình B Phân tích với Calcium cho thấy NEG có quá trình Calci hóa thấp hơn so với 2 nhóm kia

== Neomycin là kháng sinh khá thông dụng có thể:

+Ức chế enzyme phân hủy GAGs

+Có khả năng liên kết với elastin và GAGs

+Giảm sự thoái hóa của van

+Giới hạn sự tăng Canxi

+Có khả năng chịu đựng khi stress và giúp van hoạt động thêm nhiều năm hơnNeomycin ngăn chặn enzyme gián tiếp phân hủy glycosaminoglycan trong van sinh học nhân tạo

Ưu-Nhược điểm của van sinh học

Ưu điểm

+ Không cần sử dụng thuốc chống đông máu trong suốt cuộc đời

+ Giống với van tim người=> không cần sử dụng thuốc chống thải ghép sau nàyNhược điểm

+Tuổi thọ không cao vì quá trình thoái hóa có thể diễn ra nên những bệnh nhân nhỏ tuổi phải thay thêm vài lần

+Có thể bị Calci hóa

Quá trình Calci hóa

Quá trình Calci hóa là hiện tượng các nguyên tử Cacbon, Phosphate và các hợp chất có chứa Cacbon hình thành những cục nhỏ trên Van=> Van hỏng

Canxi hóa cũng có thể do độ tuổi cảm ứng quá trình” wear and tear” tạm dịch là mài mòn và dễ rách Lượng Cholesterol giảm thì quá trình calxi hóa cũng giảm mà chưa tìm được nguyên nhân

 Giải pháp uống các loại thuốc làm giảm lượng phospholipid như nhóm thuốc statin có thể làm giảm quá trình Calci hóa

 Biophosphonate(thuốc điều trị loãng xương) là dẫn xuất của polyurethanes có khả năng chống lại quá trình Calci hóa

Xử lý GLUT với van heo ở áp suất 60-80mmHg, làm mất vài cấu trúc tự nhiên,dẫn đến bị Calci hóa, để giảm mức độ nguy hiểm này người ta hạ áp suất bằng 0ứng dụng cho van tim heo, và áp suất thấp cho ngoại tâm mạc bò Mặc dù vậy xuhướng calci hóa vẫn diễn ra 10-20 năm sau cấy ghép Nguyên nhân thật sự và cơchế quá trình canxi hóa vẫn còn tranh cãi, người ta tin rằng GLUT chính là thủphạm nhưng lại ko giải thích được tại sao van không xử lý với GLUT như ghépđồng loại cũng bị canxi hóa, và cũng ko biết được tại sao mô bệnh nhân có thể bịcanxi hóa Sự thật, tất cả các mô đều có thể bị canxi hóa trong những điều kiệnbất lợi như stress và môi trường sinh hóa có những điều kiện bất lợi trong chuyểnhóa Canxi, Phospho và vắng mặt các tế bào sống Hạn chế này được giảm thiểubằng cách xử lý GLUT kết hợp với những chất làm giảm lượng Ca như những chất

có khả năng làm giảm phospholipit

3 TAVI(transcatheter aortic valve implantation)

Năm 2011, FDA chấp nhận ống thông dựa vào van động mạch chủ để không gâychấn thương đến xương ức và xương sườn Quá trình này gọi làTAVI( transcatheter aortic valve implantation) hiện nay chỉ được thực hiện đối vớibệnh nhân không mổ được như người bị ung thư

Van tim được làm từ mô tim của heo Khung kim loại được làm từ nickel-titaniumnén lại và đặt cuối ống catheter Catheter được đẩy qua các mạch máu đến khichạm được mô van động mạch chủ Sau đó thoát ra khỏi vị trí cuối của ống vàgiãn ra

4 Kĩ nghệ mô van tim

Kỹ nghệ mô van tim bằng cách sử dụng Polymer được hủy tế bào(decellularized) dị loài hay chất gian bào(matrices)

Nhiều nỗ lực đã được thực hiện để tạo ra van tim có chức năng thay thế, có khả năng pháttriển, sửa chữa bằng cách sử dụng các khái niệm về kỹ thuật mô Trong cách tiếp cận kỹthuật mô, tế bào của chính bệnh nhân được tách ra, ví dụ: như tế bào từ mạch máu hoặc làcác tế bào khác được nuôi cấy bằng các kỹ thuật nuôi cấy tế bào phù hợp, được cho vàomatrices thích hợp, có hình dạng của một van tim Matrices thích hợp phải có khả năng

hỗ trợ tăng trưởng tế bào và tế bào tương tác với nhau để hướng đến sự hình thành mô và

cơ quan chức năng với matrices ngoại bào organotypic (ECM) Bề mặt của các lớp phảitương hợp sinh học, cho tế bào phát triển và hình thành của các lớp chống đông máu Hiện nay, có hai loại chính của matrices đã được áp dụng cho các phương pháp kỹ nghệmô: đó là van tim đã được decellularized dị loài(khác loài) hoặc đồng loài và polymephân hủy sinh học tổng hợp

(Hình) Tổng quan về tạo van tim quy trình kỹ thuật mô: các tế bào tự thân được lấy từ bệnh nhân (a) và bị tách ra (b) (c) Sau khi nuôi cấy và phát triển trong ống nghiệm, các

tế bào được cấy vào một matrices từ van tim có thể là polyme hoặc dị loài (d) Xây dựng

một hệ thống bioreactor mô phỏng điều kiện sinh học (e) Sau khi được nuôi cấy in vitro

trưởng thành, mô van tim được cấy ghép vào bệnh nhân

4.1 Kĩ nghệ mô van tim được tạo ra dựa vào matrices dị loài đã decellularized

Một khái niệm trong kỹ nghệ mô van tim là sử dụng matrices sinh học đã decellularizedkết hợp với tế bào tự thân Các matrices này bao gồm các vật liệu đồng loại hoặc dị loàiđược decellularized bằng enzym hoặc bằng các phương pháp tẩy Các van tim tự thân cósẵn vô cùng giới hạn trong điều kiện khan hiếm tạng trên toàn thế giới, nghiên cứu hiệnnay tập trung vào mô dị loài Các quá trình decellularization rất quan trọng vì tất cả các tếbào cần phải được loại bỏ để tránh bất kỳ các bất lợi liên quan đến đáp ứng miễn dịch saucấy Ngược lại, quá trình decellularization cũng phải giữ lại các thành phần cấu trúc củaECM tương đối quan trọng để cung cấp một scaffold sinh cơ học và thúc đẩy quá trìnhhiệu quả hơn Trong môi trường sinh lý, ECM của van tim liên tục được sữa chữa bởienzyme Matrix Metalloproteinase (MMP) Ít nhất bốn phương pháp khác nhau đã được

sử dụng để tạo ra decellularized matrix Phương pháp phổ biến nhất là loại bỏ tế bào bằngenzyme Tuy nhiên, phương pháp làm lạnh khô, gradient thẩm thấu và kết hợp đã được

sử dụng khá tốt Một nghiên cứu mới đây chứng minh rằng decellularization hoàn toànvan tim phổi của lợn có sự bảo tồn các ECM và tiếp theo là cừu đã được thực hiện

(A)Decellularization van tim dị loài sử dụng một enzyme protocol

Mặc dù có các cách tiếp cận decellularization khác nhưng nhìn chung chúng khá tương tựnhau Nói chung, trái tim hiến tặng (lợn hay cừu) thu được trong điều kiện sạch từ một lò

mổ địa phương trong vòng 15 phút khi giết mổ và ngay lập tức được chuyển đến phòngthí nghiệm Điều này rất quan trọng để giảm thời gian giết mổ và chế biến giúp giảm

thiểu sự tự phân giải (autolysis) Đối với các thử nghiệm in vivo, van động vật cung cấp

được yêu cầu có kích thước thích hợp, và được vô trùng Để giảm nguy cơ nhiễm khuẩncác van được rửa 30 phút ở nhiệt độ phòng trong dung dịch kháng khuẩn ngay lập tức,như povidone-iodine và PBS vô trùng, ủ qua đêm ở 48oC trong dung dịch kháng sinh(như 1,2 mg amikacin; 3mg flucytosin; 1,2 mg vancomycin; 0,3 mg ciprofloxacin; và 1,2

mg metronidazol trong 1 ml nước kháng khuẩn ) Sau quá trình vô trùng này, các van đãsẵn sàng cho quá trình decellularization thực tế Điều này được thực hiện bằng cách sửdụng enzym ly giải tế bào, các van được đặt trong một dung dịch chứa 0,05% trypsin và0,02% EDTA ở 37oC và 5% CO2 trong 24h dưới máy rung ba chiều liên tục Sau khi lygiải tế bào, các mảnh vụn tế bào cần phải được loại bỏ bởi bước rửa bằng PBS trong 24 h.Các decellularized matrices cuối cùng được lưu trữ trong dung dịch muối cân bằng Hanks

ở 4oC trước khi tiếp tục xử lý và nuôi cấy

(B) Tiến hành gieo tế bào và nuôi cấy van tim decellularized

Theo dõi quá trình phát triển, các tế bào tương ứng với tế bào trong van, nhưmyofibroblasts sẽ được trypsine hóa, tái huyền phù với môi trường nuôi cấy và cho vàoPVs-pulmonary valves đã được hủy tế bào Tiếp theo, các tế bào nội mô (endothelialcells-EC) được cấy trong điều kiện ổn định, cho phép các tế bào đính vào van Toàn bộthời gian nuôi được ủ ở 370C và 5% CO2 Một hạn chế quan trọng là nguy cơ nhiễm trùngcao Theo đó, việc xử lý vô trùng được hỗ trợ với các chất kháng sinh lặp đi lặp lại

(C) Đánh giá in vitro của quá trình nuôi cấy van tim

Đánh giá chủ yếu của van tim đã được hủy tế bào là sự tuần hoàn phổi Yêu cầu theo lâmsàng là tập trung vào van động mạch chủ, khi mô tả hệ thống tuần hoàn của cừu mới sinh.Động mạch cảnh được cắt nhỏ ra và đem vô trùng Do hạn chế về giải phẫu, cấy ghépđúng vị trí của van kĩ nghệ mô là cực kỳ phức tạp Theo đó, đối với một nghiên cứu khảthi ban đầu, các van được cấy vào động mạch chủ dưới ngực Để ngăn ngừa thiếu máukhi giải phẩu, một ống dẫn Gott sửa đổi đã được tạo ra Một máy bơm trục duy trì truyềnmáu từ bên ngoài khoảng 1,5 l dòng min-1 và áp suất truyền máu trung bình 35 mmHg

Hình 2: Sơ đồ bioreactor giúp tim đập Các van tim kĩ nghệ mô (mũi tên)được bơm máu với môi trường chất dinh dưỡng Các luồng nhịp được tạo ra thông quamột hệ thống khí nén Điều kiện áp suất và trao đổi khí được giám sát, đã được vô trùng Chỏm van từ động mạch chủ chỉ rung suốt chu kỳ tim Một ống dẫn giữa động mạch chủ

và tâm nhĩ trái đã được cấy ghép giúp tăng áp suất động mạch chủ bằng cách giảm ápsuất tâm trương (Hilbert và cộng sự 1999)

Toàn bộ sáu van có các tế bào tự thân đã được cấy ghép Hai van có các EC và bốn vancòn lại chứa với tế bào sợi cơ (myofibroblasts) và EC Tất cả các loại van được cấy sang

mô vào tuần thứ 12 Hình thái tổng quát cho thấy bề mặt bên trong phẳng không hìnhthành huyết khối và không dãn ra Mặc dù ban đầu các lá van dịch chuyển đã được quansát bằng siêu âm tim Doppler và khi cấy vào mô các ống dẫn hoạt động, thì các lá vankhông còn dịch chuyển nữa Có thể giải thích bằng sinh lý bệnh học cho hiện tượng này

là một sự thích nghi của hệ tuần hoàn cừu

4.2 Kĩ nghệ mô van tim dựa vào matrices từ polyme.

Một vật liệu tổng hợp lý tưởng như Hình 3 van tim từ mô tự thân được thiết kế trước khicấy trong mô hình động vật (Hoerstrup et al 2000b.) một scaffold tạm thời dẫn đến sựhình thành và phát triển mô Nó phải có ít nhất 90% là lỗ (Agrawal & Ray 2001) và phải

có mạng lưới lỗ liên kết với nhau đó là điều cần thiết cho sự tăng trưởng tế bào, cung cấpdinh dưỡng và loại bỏ chất thải từ quá trình trao đổi chất Hiện nay, một số kỹ thuật đãđược sử dụng để chế tạo các cấu trúc lỗ như vậy, ví dụ như kỹ thuật lọc qua muối, dệtlưới sợi (Agrawal & Ray 2001; Hutmacher et al 2001), tạo mẫu một cách nhanhchóng(Hutmacher et al 2001), giai đoạn tách (Nam & Park 1999) và mạ điện (Buchko et

al 1999) Bên cạnh đó là tính tương hợp sinh học, phân hủy và tái sản xuất, scaffold cũngnên có bề mặt hóa học thuận lợi cho tế bào tăng trưởng và phù hợp với các đặc tính cơhọc của mô

Một số loại polyme tổng hợp có khả năng phân hủy sinh học, chẳng hạn như polyglactin,acid polyglycolic (Shinoka et al 1995) (PGA; Shinoka et al 1996)., Acid polylactic(PLA; Shinoka et al 1998)., Polyhydroxyalkanoates (PHA; Sodian 2000a et al.) và mộtcopolymer của PGA và PLA (PGLA; hãng ZÜND et al 1997), đã được nghiên cứu như

là một matrices cho kỹ nghệ mô van tim

(A) Aliphatic polyesters

Polyglactin, PGA và PLA thuộc về họ của các polyeste béo, có khả năng phân hủy, bởi

sự phân tách các chuỗi polymer bằng cách thủy phân ester của chúng Kết quả làmonomer bài tiết trong nước tiểu hoặc đi vào chu trình acid tricarboxylic (Agrawal &Ray 2001) Nỗ lực ban đầu để tạo ra các lá van tim là dựa trên sự phối hợp các polyestebéo Những hạn chế chủ yếu từ các polyeste béo là độ dày của chúng, độ cứng và không

có tính dẻo, dẫn đến khó khăn để chế tạo một van tim ba lá

(B) Polyhydroxyalcanoates

Họ của PHAs gồm các polyeste được tạo ra từ sản phẩm của hydroxyacids như các hạttrong tế bào vi khuẩn (Kessler & Withold 2001) Cả polyhydroxyoctanoate (Sodian et al.2000b, c) và poly-4-hydroxybutyrate (P4HB) đã được sử dụng (Sodian et al 2000a, b) đểtạo ra các ống dẫn van tim ba lá Những vật liệu này có tính chất nhiệt dẻo và do đó cóthể dễ dàng đúc thành bất kỳ hình dạng nào mong muốn (Sodian et al 2002) Hạn chếchung của PHAs là sự phân hủy Khi kết hợp các polyeste béo và PHAs đã được thửnghiệm như các polyme tổng hợp (Hoerstrup 2000b; Cổ et al 2000; Rabkin et al 2002).Đặc biệt, khi sử dụng PGA với P4HB, kết hợp các độ xốp cao của PGA và tính nhiệt dẻocủa P4HB (Hoerstrup 2000b; Rabkin et al 2002) Ứng dụng điều này chế tạo các loại vantim ba lá hoàn chỉnh cho thấy kết quả đầy hứa hẹn trên cừu có sự tăng trưởng nhanhchóng(Hoerstrup 2000b)

(C) Bằng chứng về nghiên cứu.