Способ численной оценки влияния кальцификаций на биомеханику ксеноперикардиальных протезов клапанов сердца

Цель: провести пилотное исследование влияния кальцификации створчатого аппарата биопротеза клапана сердца на биомеханику и выявить взаимосвязь «напряжение в материале – дисфункция».

Материалы и методы. Объектом исследования выступили два коммерческих биопротеза митрального клапана «ЮниЛайн» 26-го и 30-го типоразмеров (ЗАО «НеоКор», Россия). Для реконструкции объемов кальция образцы подвергли микрокомпьютерному томографическому сканированию. Полученные трехмерные модели были соотнесены с протезами соответствующих размеров, и в программе инженерного анализа Abaqus CAE (Dassault Systemes, Франция) произвели проекцию на объем запирающего элемента.

Результаты. Численное моделирование показывает значительное увеличение максимальных принципиальных напряжений в образцах до 90,8 МПа, качественное снижение открытия, а также возросшее воздействие на каркас протеза. Сопоставление эпюр напряжений численного моделирования с образцами демонстрирует связь пиковых значений амплитуд с локализацией разрывов и истончений в створчатом аппарате.

Заключение. В представленной работе нами были продемонстрированы результаты пилотного исследования взаимосвязи биомеханики в пациент-специфическом кальцинированном митральном протезе клапана сердца «ЮниЛайн» с макроскопическим описанием эксплантированных образцов. Сравнительный этап продемонстрировал влияние величин напряжения с локализацией дисфункций створчатого аппарата.

1. Бокерия ЛА, Милиевская ЕБ, Кудзоева ЗФ, Прянишников ВВ, Скопин АИ, Юрлов ИА. Сердечно-сосудистая хирургия – 2018. Болезни и врожденные аномалии системы кровообращения. 1st ed. Москва: ФГБУ «НМИЦССХ им. А.Н. Бакулева» МЗ РФ; 2018. 270 p.

2. Bonow RO, O’Gara PT, Adams DH, Badhwar V, Bavaria JE, Elmariah S, et al. 2020 Focused Update of the 2017 ACC Expert Consensus Decision Pathway on the Management of Mitral Regurgitation: A Report of the American College of Cardiology Solution Set Oversight Committee. J Am Coll Cardiol [Internet]. 2020 May 5 [cited 2023 May 26];75(17):2236–70. Available from: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32068084/

3. Nishimura RA, Otto CM, Bonow RO, Carabello BA, Erwin JP, Fleisher LA, et al. 2017 AHA/ACC Focused Update of the 2014 AHA/ACC Guideline for the Management of Patients with Valvular Heart Disease: A Report of the American College of Cardiology/American Heart Association Task Force on Clinical Practice Guidelines. Circulation [Internet]. 2017 Jun 20 [cited 2023 May 26];135(25):e1159–95. Available from: https://www.ahajournals.org/doi/abs/10.1161/CIR.0000000000000503

4. Marom G, Einav S. New insights into valve hemodynamics. Rambam Maimonides Med J. 2020;11(2). DOI:10.5041/RMMJ.10400

5. Velho TR, Pereira RM, Fernandes F, Guerra NC, Ferreira R, Nobre Â. Bioprosthetic Aortic Valve Degeneration: a Review from a Basic Science Perspective. Brazilian J Cardiovasc Surg. 2022;37(2):239–50. DOI:10.21470/1678-9741-2020-0635

6. Brockbank KGM, Song YC. Mechanisms of bioprosthetic heart valve calcification. Transplantation. 2003;75(8):1133–5. DOI:10.1097/01.TP.0000062864.54455.E5

7. Scott Rapoport H, Connolly JM, Fulmer J, Dai N, Murti BH, Gorman RC, et al. Mechanisms of the in vivo inhibition of calcification of bioprosthetic porcine aortic valve cusps and aortic wall with triglycidylamine/mercapto bisphosphonate. Biomaterials. 2007;28(4):690–9. DOI:10.1016/j.biomaterials.2006.09.029

8. Wen S, Zhou Y, Yim WY, Wang S, Xu L, Shi J, et al. Mechanisms and Drug Therapies of Bioprosthetic Heart Valve Calcification. Front Pharmacol. 2022;13. DOI:10.3389/fphar.2022.909801

9. Timchenko TP. Bisphosphonates as Potential Inhibitors of Calcification in Bioprosthetic Heart Valves (Review). Sovrem Tehnol v Med. 2022;14(2):68–79. DOI:10.17691/stm2022.14.2.07

10. Alwan L, Bernhard B, Brugger N, de Marchi SF, Praz F, Windecker S, et al. Imaging of Bioprosthetic Valve Dysfunction after Transcatheter Aortic Valve Implantation. Diagnostics. 2023;13(11). DOI:10.3390/diagnostics13111908

11. Piérard S, Seldrum S, Muller T, Gerber BL. Evaluation of aortic bioprosthesis stenosis by multidetector ct. J Cardiovasc Comput Tomogr. 2012;6(1):62–5. DOI:10.1016/j.jcct.2011.11.005

12. Cartlidge TRG, Doris MK, Sellers SL, Pawade TA, White AC, Pessotto R, et al. Detection and Prediction of Bioprosthetic Aortic Valve Degeneration. J Am Coll Cardiol. 2019;73(10):1107–19. DOI:10.1016/j.jacc.2018.12.056

13. Lepidi H, Casalta JP, Fournier PE, Habib G, Collart F, Raoult D. Quantitative histological examination of mechanical heart valves. Clin Infect Dis. 2005;40(5):655–61. DOI:10.1086/427504

14. Sellers SL, Turner CT, Sathananthan J, Cartlidge TRG, Sin F, Bouchareb R, et al. Transcatheter Aortic Heart Valves: Histological Analysis Providing Insight to Leaflet Thickening and Structural Valve Degeneration. JACC Cardiovasc Imaging. 2019;12(1):135–45. DOI:10.1016/j.jcmg.2018.06.028

15. Lepidi H, Casalta JP, Fournier PE, Habib G, Collart F, Raoult D. Quantitative histological examination of bioprosthetic heart valves. Clin Infect Dis. 2006;42(5):590–6. DOI:10.1086/500135

16. Прокудина ЕС, Сенокосова ЕА, Антонова ЛВ, Мухамадияров РА, Кошелев ВА, Кривкина ЕО, et al. Морфологические особенности ремоделирования биологических и тканеинженерных сосудистых заплат: результаты испытаний на модели овцы. Сибирский журнал клинической и экспериментальной медицины. 2023;38(4):250–9. DOI:10.29001/2073-8552-2023-38-4-250-259

17. Богданов ЛА, Великанова ЕА, Шишкова ДК, Шабаев АР, Кутихин АГ. Neointimal remodeling in carotid atherosclerosis: roles of matrix metalloproteinases-2 and -9 and different phenotypes of vascular smooth muscle cells. Zhurnal «Patologicheskaia Fiziol i Eksp Ter. 2020;(4):20–30. DOI:10.25557/0031-2991.2020.04.20-30

18. Human P, Bezuidenhout D, Aikawa E, Zilla P. Residual Bioprosthetic Valve Immunogenicity: Forgotten, Not Lost. Front Cardiovasc Med. 2021;8. DOI:10.3389/fcvm.2021.760635

19. Marro M, Kossar AP, Xue Y, Frasca A, Levy RJ, Ferrari G. Noncalcific mechanisms of bioprosthetic structural valve degeneration. J Am Heart Assoc. 2021;10(3):1–13. DOI:10.1161/JAHA.120.018921

20. Shishkova DK, Glushkova TV, Efimova OS, Popova AN, Malysheva VY, Kolmykov RP, et al. Morphological and Chemical Properties of Spherical and Needle Calcium Phosphate Bions. Complex Issues Cardiovasc Dis. 2019;8(1):59–69. DOI:10.17802/2306-1278-2019-8-1-59-69

21. Abramov A, Xue Y, Zakharchenko A, Kurade M, Soni RK, Levy RJ, et al. Bioprosthetic heart valve structural degeneration associated with metabolic syndrome: Mitigation with polyoxazoline modification. Proc Natl Acad Sci U S A. 2023;120(1). DOI:10.1073/pnas.2219054120

22. Smart I, Goecke T, Ramm R, Petersen B, Lenz D, Haverich A, et al. Dot blots of solubilized extracellular matrix allow quantification of human antibodies bound to epitopes present in decellularized porcine pulmonary heart valves. Xenotransplantation. 2021;28(1). DOI:10.1111/xen.12646

23. Asanov MA, Kazachek Y V., Evtushenko A V., Teplova YE, Ponasenko A V. Comparison of Microflora Isolated From Peripheral Blood and Valvular Structures of the Heart in Patients With Infective Endocarditis. Acta Biomed Sci. 2022;7(2):91–8. DOI:10.29413/ABS.2022-7.2.10

24. Mohammadi MM, Bavi O. DNA sequencing: an overview of solid-state and biological nanopore-based methods. Biophys Rev. 2022;14(1):99–110. DOI:10.1007/s12551-021-00857-y

25. Rovery C, Greub G, Lepidi H, Casalta JP, Habib G, Collart F, et al. PCR detection of bacteria on cardiac valves of patients with treated bacterial endocarditis. J Clin Microbiol. 2005;43(1):163–7. DOI:10.1128/JCM.43.1.163-167.2005

26. Mukhamadiyarov RA, Bogdanov LA, Glushkova T V., Shishkova DK, Kostyunin AE, Koshelev VA, et al. Embedding and backscattered scanning electron microscopy: A detailed protocol for the whole-specimen, high-resolution analysis of cardiovascular tissues. Front Cardiovasc Med. 2021;8. DOI:10.3389/fcvm.2021.739549

27. Keklikoglou K, Arvanitidis C, Chatzigeorgiou G, Chatzinikolaou E, Karagiannidis E, Koletsa T, et al. Micro‐ct for biological and biomedical studies: A comparison of imaging techniques. J Imaging. 2021;7(9). DOI:10.3390/jimaging7090172

28. Hamid MS, Sabbah HN, Stein PD. Vibrational analysis of bioprosthetic heart valve leaflets using numerical models: Effects of leaflet stiffening, calcification, and perforation. Circ Res. 1987;61(5):687–94. DOI:10.1161/01.RES.61.5.687

29. Claiborne TE, Sheriff J, Kuetting M, Steinseifer U, Slepian MJ, Bluestein D. In vitro evaluation of a novel hemodynamically optimized trileaflet polymeric prosthetic heart valve. J Biomech Eng. 2013;135(2). DOI:10.1115/1.4023235

30. Claiborne TE, Xenos M, Sheriff J, Chiu WC, Soares J, Alemu Y, et al. Toward optimization of a novel trileaflet polymeric prosthetic heart valve via device thrombogenicity emulation. ASAIO J. 2013;59(3):275–83. DOI:10.1097/MAT.0b013e31828e4d80

31. Xuan Y, Dvir D, Wang Z, Mizoguchi T, Ye J, Guccione JM, et al. Stent and leaflet stresses in 26-mm, third-generation, balloon-expandable transcatheter aortic valve. J Thorac Cardiovasc Surg. 2019;157(2):528–36. DOI:10.1016/j.jtcvs.2018.04.115

32. Qin T, Caballero A, Mao W, Barrett B, Kamioka N, Lerakis S, et al. The role of stress concentration in calcified bicuspid aortic valve. J R Soc Interface. 2020;17(167). DOI:10.1098/rsif.2019.0893

33. Kazik HB, Kandail HS, LaDisa JF, Lincoln J. Molecular and Mechanical Mechanisms of Calcification Pathology Induced by Bicuspid Aortic Valve Abnormalities. Front Cardiovasc Med. 2021;8. DOI:10.3389/fcvm.2021.677977

34. Sturla F, Ronzoni M, Vitali M, Dimasi A, Vismara R, Preston-Maher G, et al. Impact of different aortic valve calcification patterns on the outcome of transcatheter aortic valve implantation: A finite element study. J Biomech. 2016;49(12):2520–30. DOI:10.1016/j.jbiomech.2016.03.036

35. Weinberg EJ, Schoen FJ, Mofrad MRK. A computational model of aging and calcification in the aortic heart valve. PLoS One. 2009;4(6). DOI:10.1371/journal.pone.0005960

36. Thubrikar MJ, Deck JD, Aouad J, Nolan SP. Role of mechanical stress in calcification of aortic bioprosthetic valves. J Thorac Cardiovasc Surg. 1983;86(1):115–25. DOI:10.1016/s0022-5223(19)39217-7

37. van der Valk DC, Fomina A, Uiterwijk M, Hooijmans CR, Akiva A, Kluin J, et al. Calcification in Pulmonary Heart Valve Tissue Engineering: A Systematic Review and Meta-Analysis of Large-Animal Studies. JACC Basic to Transl Sci. 2023;8(5):572–91. DOI:10.1016/j.jacbts.2022.09.009

38. Schoen FJ, Tsao JW, Levy RJ. Calcification of bovine pericardium used in cardiac valve bioprostheses. Am J Pathol. 1986;123:134–45.

39. Sakaue T, Koyama T, Nakamura Y, Okamoto K, Kawashima T, Umeno T, et al. Bioprosthetic Valve Deterioration: Accumulation of Circulating Proteins and Macrophages in the Valve Interstitium. JACC Basic to Transl Sci. 2023;8(7):862–80. DOI:10.1016/j.jacbts.2023.01.003

40. Khalivopulo IK, Evtushenko A V., Shabaldin A V., Troshkinev NM, Stasev AN, Kokorin SG, et al. Comparison of Propensity Scores for Surgical Treatment of Bioprosthetic Mitral Valve Dysfunction Using Traditional and “Valve-in-Valve” Methods. Complex Issues Cardiovasc Dis. 2023;12(2):57–69. DOI:10.17802/2306-1278-2023-12-2-57-69

41. Федоров СА, Чигинев ВА, Журко СА, Гамзаев АБ, Медведев АП. Клинические и гемодинамические результаты использования различных моделей биологических протезов для коррекции сенильных пороков аортального клапана. Современные технологии в медицине. 2016;8(4):292–6.

42. Pestiaux C, Pyka G, Quirynen L, De Azevedo D, Vanoverschelde JL, Lengelé B, et al. 3D histopathology of stenotic aortic valve cusps using ex vivo microfocus computed tomography. Front Cardiovasc Med. 2023;10. DOI:10.3389/fcvm.2023.1129990

43. ExxonMobil. Datasheet. 2022 [cited 2023 Jul 19]. p. 2 ExxonMobilTM PP1014H1 Polypropylene Homopolymer. Available from: https://exxonmobilchemical.ulprospector.com/datasheet.aspx

44. Finotello A, Gorla R, Brambilla N, Bedogni F, Auricchio F, Morganti S. Finite element analysis of transcatheter aortic valve implantation: Insights on the modelling of self-expandable devices. J Mech Behav Biomed Mater. 2021;123. DOI:10.1016/j.jmbbm.2021.104772

45. Capelli C, Bosi GM, Cerri E, Nordmeyer J, Odenwald T, Bonhoeffer P, et al. Patient-specific simulations of transcatheter aortic valve stent implantation. Med Biol Eng Comput [Internet]. 2012 Feb [cited 2022 Mar 16];50(2):183–92. Available from: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/22286953/

46. Onishchenko P, Glushkova T, Kostyunin A, Rezvova M, Akentyeva T, Barbarash L. Computer models of biomaterials used for manufacture of flap apparatus of prosthetic heart valves. Mater Sci. 2023;0(7):30–9. DOI:10.31044/1684-579x-2023-0-7-30-39

47. Guo S, Shi Y, Zhang H, Meng Q, Su R, Zhang J, et al. Design and fabrication of a Nb/NiTi superelastic composite with high critical stress for inducing martensitic transformation and large recoverable strain for biomedical applications. Mater Sci Eng C. 2020;112. DOI:10.1016/j.msec.2020.110894