Механические свойства нативной и децеллюляризованной стенки аорты после длительного хранения в биоцидных растворах

Цель. Определить оптимальный метод для длительного влажного хранения донорского материала (50 суток после забора) с максимальной способностью к сохранению исходных механических характеристик.

Материалы и методы. В качестве объектов исследования использовали фрагменты стенок аорт свиньи. Половина исходного материала была децеллюляризована детергентным методом. Весь материал (нативный и обработанный) был помещен на 50 суток в биоцидные растворы: комплексный спиртовой раствор, смесь этанола и глицерина, смесь антибиотиков. Далее проведены испытания на механическую прочность нативных и децеллюляризованных образцов методом одноосного растяжения в продольном и окружном направлениях.

Результаты. Хранение нативного материала во всех средах привело к достоверному увеличению значений прочности на разрыв. Так, в группе «комплексный спиртовой раствор» эта величина увеличилась в 1,38 раза, в смеси этанола и глицерина – в 1,72 раза, в «смеси антибиотиков» – в 1,62 раза в сравнении с нативным контролем при окружном растяжении. Также в группе «комплексный спиртовой раствор» децеллюляризованный материал был в 1,57 раза прочнее, чем нативный при окружном растяжении. В группе «смесь антибиотиков» децеллюляризованный материал был в 1,33 раза менее прочным, чем нативный при продольном растяжении. По данным удлинения до разрыва достоверно большая пластичность отмечалась в группе хранения «этанол–глицерин» у децеллюляризованной стенки аорты в сравнении с контрольной группой (в 1,5 раза). Значения модуля Юнга достоверно не отличались от контрольных значений во всех экспериментальных группах вне зависимости от направления растяжения. При этом четко прослеживалась тенденция к повышению жесткости децеллюляризованных образцов при растяжении в окружном направлении.

Заключение. Децеллюляризация стенки аорты свиньи детергентным методом и последующее хранение данных образцов в выбранных нами экспериментальных растворах в течение 50 суток достоверно не влияет на упругостные свойства материала. Предложенные нами методы обработки частично увеличивают жесткость материала после хранения в спиртосодержащих растворах.

1. Horke A, Tudorache I, Laufer G, Andreas M, Pomar JL, Pereda D et al. Early results from a prospective, singlearm European trial on decellularized allografts for aortic valve replacement: the ARISE study and ARISE Registry data. Eur J Cardiothorac Surg. 2020; 58 (5): 1045–1053. doi: 10.1093/ejcts/ezaa100. PMID: 32386409; PMCID: PMC7577293.

2. Arabkhani B, Bekkers JA, Andrinopoulou ER, Roos- Hesselink JW, Takkenberg JJM, Bogers AJJC. Allografts in aortic position: Insights from a 27-year, single-center prospective study. J Thorac Cardiovasc Surg. 2016; 152 (6): 1572–1579. doi: 10.1016/j.jtcvs.2016.08.013; PMID: 27842683.

3. Демидов ДП, Астапов ДА, Богачев-Прокофьев АВ, Железнев СИ. Оценка качества жизни после протезирования аортального клапана биологическими протезами у пациентов пожилого возраста. Патология кровообращения и кардиохирургия. 2017; 21 (3): 40–47.

4. Спиридонов СВ, Одинцов ВО, Щетинко НН, Мозгова ЕА, Гринчук ИИ, Островский ЮП. Аортальные аллографты в мировой кардиохирургии: исторические аспекты внедрения в клиническую практику и обзор результатов использования. Медицинский журнал. 2015; 1: 55–67.

5. Fioretta ES, von Boehmer L, Motta SE, Lintas V, Hoerstrup SP, Emmert MY. Cardiovascular tissue engineering: From basic science to clinical application. Exp Gerontol. 2019; 117: 1–12. doi: 10.1016/j.exger.2018.03.022. PMID: 29604404.

6. VeDepo MC, Detamore MS, Hopkins RA, Converse GL. Recellularization of decellularized heart valves: Progress toward the tissue-engineered heart valve. J Tissue Eng. 2017 Aug 25; 8: 2041731417726327. doi: 10.1177/2041731417726327. PMID: 28890780; PMCID: PMC5574480.

7. Cebotari S, Tudorache I, Ciubotaru A, Boethig D, Sarikouch S, Goerler A et al. Use of fresh decellularized allografts for pulmonary valve replacement may reduce the reoperation rate in children and young adults: Early report. Circulation. 2011; 124 (11 SUPPL. 1): 115–124. doi: 10.1161/CIRCULATIONAHA.110.012161. PMID: 21911800.

8. Argento G, Simonet M, Oomens CW et al. Multi-scale mechanical characterization of scaffolds for heart valve tissue engineering. J Biomech. 2012; 45: 2893–2898.

9. Одаренко ЮН, Рутковская НВ, Рогулина НВ, Стасев АН, Кокорин СГ, Каган ЕС, Барбараш ЛС. Анализ 23-летнего опыта использования ксеноаортальных эпоксиобработанных биопротезов в хирургии митральных пороков сердца. Исследование факторов реципиента с позиций влияния на развитие кальциевой дегенерации. Комплексные проблемы сердечно-сосудистых заболеваний. 2015; (4): 17–25.

10. Lisy M, Kalender G, Schenke-Layland K, Brockbank KGM, Biermann A, Stock UA. Allograft Heart Valves: Current Aspects and Future Applications. Biopreserv Biobank. 2017; 15 (2): 148–157. doi: 10.1089/bio.2016.0070. PMID: 28151005.

11. Brockbank KGM, Lightfoot FG, Song YC, Taylor MJ. Interstitial ice formation in cryopreserved homografts: A possible cause of tissue deterioration and calcification in vivo. J Heart Valve Dis. 2000; 9 (2): 200–206. PMID: 10772037.

12. Бритиков ДВ, Лаук-Дубицкий СЕ, Серов РА, Хугаев ГА. Морфологическая оценка новой методики криосохранения клапанных и сосудистых аллографтов. Анналы хирургии. 2019; 24 (1): 16–23.

13. Hickey E, Langley SM, Allemby-Smith O, Livesey SA, Monro JL. Subcoronary allograft aortic valve replacement: parametric risk-hazard outcome analysis to a minimum of 20 years. Ann Thorac Surg. 2007; 84 (5):1564–1570. doi: 10.1016/j.athoracsur.2007.02.100. PMID: 17954063.

14. Островский ЮП, Юдина ОА, Муратов РМ, Спиридонов СВ. Технология изготовления и методика использования криосохраненных аллографтов в хирургии пороков аортального клапана. Минск: Беларуская навука (2016), 229 с.

15. Gatto C, Giurgola L, D’Amato Tothova J. A suitable and efficient procedure for the removal of decontaminating antibiotics from tissue allografts. Cell Tissue Bank. 2013; 14 (1): 107–115. doi: 10.1007/s10561-012-9305-5. PMID: 22407218.

16. Васильева МБ, Красильникова АА, Кузнецова ЕВ, Лунина МВ, Самойлова ЛМ, Русакова ЯЛ и др. Исследование альтернативных биоцидных сред для влажного хранения аллогенного материала для протезирования элементов сердечно-сосудистой системы. Патология кровообращения и кардиохирургия. 2018; 22 (4): 95–102.

17. Журавлева ИЮ. Биоцидная композиция для асептического хранения консервированного протезного материала из тканей животного происхождения. Патент РФ на изобретение RU 2580621C1. Бюлл. № 10 (от 10.04.2016).

18. Lichtenberg A, Tudorache I, Cebotari S, Ringes-Lichtenberg S, Sturz G, Hoeffler K et al. In vitro re-endothelialization of detergent decellularized heart valves under simulated physiological dynamic conditions. Biomaterials. 2006; 27 (23): 4221–4229. doi: 10.1016/j.biomaterials.2006.03.047. PMID: 16620956.

19. Cheung DT, Weber PA, Grobe AC, Shomura Y, Choo SJ, Luo HH et al. A new method for the preservation of aortic valve homografts. J Heart Valve Dis. 2001; 10 (6):728–734. PMID: 11767178.

20. Yao Q, Zheng YW, Lan QH, Kou L, Xu HL, Zhao YZ. Recent development and biomedical applications of decellularized extracellular matrix biomaterials. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2019 Nov; 104: 109942. doi: 10.1016/j.msec.2019.109942. PMID: 31499951.

21. Taylor DA, Sampaio LC, Ferdous Z, Gobin AS, Taite LJ. Decellularized matrices in regenerative medicine. Acta Biomater. 2018 Jul 1; 74: 74–89. doi: 10.1016/j.actbio.2018.04.044. PMID: 29702289.

22. Theodoridis K, Müller J, Ramm R, Findeisen K, Andrée B, Korossis S et al. Effects of combined cryopreservation and decellularization on the biomechanical, structural and biochemical properties of porcine pulmonary heart valves. Acta Biomater. 2016; 43: 71–77. doi: 10.1016/j.actbio.2016.07.013. PMID: 27422199.

23. Boekema BKHL, Boekestijn B, Breederveld RS. Evaluation of saline, RPMI and DMEM/F12 for storage of splitthickness skin grafts. Burns. 2015; 41 (4): 848–852. ISSN 0305-4179, https://doi.org/10.1016/j.burns.2014.10.016.

24. Ranawat AS, Vidal AF, Chen CT, Zelken JA, Turner AS, Williams RJ 3rd. Material properties of fresh cold-stored allografts for osteochondral defects at 1 year. Clin Orthop Relat Res. 2008; 466 (8): 1826–1836. doi: 10.1007/s11999-008-0311-7. PMCID: PMC2584258.

25. Ziza V, Canaud L, Gandet T, Molinari N, Alonso W, Chastan R, Branchereau P, Picard E. Outcomes of coldstored venous allograft for below-knee bypasses in patients with critical limb ischemia. J Vasc Surg. 2015; 62 (4): 974–983. doi: 10.1016/j.jvs.2015.04.437. PMID: 26141692.

26. Wollmann LC, Suss PH, Kraft L, Ribeiro VS, Noronha L, da Costa FDA, Tuon FF. Histological and Biomechanical Characteristics of Human Decellularized Allograft Heart Valves After Eighteen Months of Storage in Saline Solution. Biopreserv Biobank. 2020; 18 (2): 90–101. doi: 10.1089/bio.2019.0106. PMID: 31990593.

27. Nam J, Choi SY, Sung SC, Lim HG, Park SS, Kim SH, Kim YJ. Changes of the Structural and Biomechanical Properties of the Bovine Pericardium after the Removal of α-Gal Epitopes by Decellularization and α-Galactosidase Treatment. Korean J Thorac Cardiovasc Surg. 2012; 45 (6): 380–389. doi: 10.5090/kjtcs.2012.45.6.380. PMID: 23275920; PMCID: PMC3530722.

28. Gilbert TW. Strategies for tissue and organ decellularization. J Cell Biochem. 2012; 113: 2217–2222. doi: 10.1002/jcb.24130. PMID: 22415903.

29. McKee CT, Last JA, Russell P, Murphy CJ. Indentation versus tensile measurements of Young’s modulus for soft biological tissues. Tissue Eng Part B Rev. 2011; 17 (3): 155–164. doi: 10.1089/ten.TEB.2010.0520. PMID: 21303220; PMCID: PMC3099446.

30. Sokolis DP, Kefaloyannis EM, Kouloukoussa M, Marinos E, Boudoulas H, Karayannacos PE. A structural basis for the aortic stress – strain relation in uniaxial tension, Journal of Biomechanics. 2006; 39 (9): 1651–1662. doi: 10.1016/j.jbiomech.2005.05.003.

31. Yu X, Wang Y, Zhang Y. Transmural variation in elastin fiber orientation distribution in the arterial wall. J Mech Behav Biomed Mater. 2018; 77: 745–753. doi: 10.1016/j.jmbbm.2017.08.002. PMID: 28838859; PMCID: PMC5696052.

32. Sugita S, Matsumoto T. Multiphoton microscopy observations of 3D elastin and collagen fiber microstructure changes during pressurization in aortic media. Biomech Model Mechanobiol. 2017; 16 (3): 763–773. doi: 10.1007/s10237-016-0851-9. PMID: 27878400.

33. Silver FH, Horvath I, Foran DJ. Viscoelasticity of the vessel wall: the role of collagen and elastic fibers. Crit Rev Biomed Eng. 2001; 29 (3): 279–301. doi: 10.1615/critrevbiomedeng.v29.i3.10. PMID: 11730097.

34. Резвова МА, Кудрявцева ЮА. Современные подходы к химической модификации белков в биологических тканях, последствия и применение. Биоорганическая химия. 2018; 44 (1): 22–37.

35. Михайлова ИП, Манченко АА, Бызов ДВ, Сандомирский БП. Физико-механические свойства девитализированных ксеноимплантатов на основе перикарда, створок аортального клапана и артерий. Проблемы криобиологии и криомедицины. 2015; 25 (4): 311–328.

36. Van Doormaal TP, Sluijs JH, Vink A, Tulleken CA, van der Zwan A. Comparing five simple vascular storage protocols. Journal of Surgical Research, 2014; 192 (Issue 1): 200–205. doi: 10.1016/j.jss.2014.05.001.