Исследование гистоархитектоники бычьего перикарда как основного материала, используемого в реконструктивной хирургии и биопротезировании

Цель: изучить состав и топологию внеклеточного матрикса бычьего перикарда и определить наиболее оптимальные области ткани, подходящие для изготовления сердечно-сосудистых биопротезов (ССБ). Материалы и методы. Исследовали образцы перикарда здоровых половозрелых быков; нативный перикард разделялся на экспериментальные группы: область основной ткани (группа БП-ОТ), область основания сердца (БП-ОС) и область основания соединительной связки (БП-СВ). Проводили исследование структуры поверхностей перикарда (p. serosum и p. fibrosum) методом сканирующей электронной микроскопии, а также особенностей топологии различных областей перикарда методами дифференциального гистохимического анализа с выявлением и количественным определением основных компонентов внеклеточного матрикса (коллаген, эластин, липиды и гликозаминогликаны). Квантификацию осуществляли методами биоимиджинга и цифрового анализа гистологических изображений с использованием программного обеспечения ImageJ. Результаты. Наиболее низкой клеточной плотностью, и соответственно, содержанием ДНК (369,75 ± 23,12 нг/мг), а также наиболее гомогенным, преимущественно коллагеновым (95,6 ± 2,9%) составом матрикса с минимальным содержанием липидов (2,6 ± 1,5%), гликозаминогликанов (0,68 ± 0,7%) и эластина (3 ± 2,4%) обладала группа БП-ОТ. Наибольшее содержание эластина и гликозаминогликанов было обнаружено в группе БП-СВ (27,8 ± 3 и 17,5 ± 0,6% соответственно), а липидов – в группе БП-ОС (21,2 ± 2,7%.). Со стороны p. serosum наблюдалась выраженная гомогенность состава ВКМ, при этом локализация эластиновых волокон, гликозаминогликанов и липидных скоплений в данных группах наблюдалась преимущественно со стороны p. fibrisum, что указывает на природную полярность материала, которую необходимо учитывать при разработке биоматериалов. Заключение. По результатам исследования выявлена неоднородность топологии бычьего перикарда в различных областях ткани. Сравнительная гомогенность состава ВКМ и относительно низкая клеточная плотность указывают, что для изготовления биопротезов клапанов сердца может быть использована только основная ткань перикарда. Высокое содержание эластина, гликозаминогликанов и липидов в отдельных областях перикарда (группы БП-ОС и БП-СВ) указывает на необходимость либо более тщательного удаления данного слоя при изготовлении имплантатов (например, за счет техник селективной очистки), либо использования данных областей ткани перикарда там, где гетерогенность состава является более предпочтительной (например, в челюстно-лицевой и ортопедической хирургии).

1. Shklover J, McMasters J, Alfonso-Garcia A, Higuita ML, Panitch A, Marcu L, Griffiths L. Bovine pericardial extracellular matrix niche modulates human aortic endothelial cell phenotype and function. Sci Rep. 2019; 9 (1): 16688. doi: 10.1038/s41598-019-53230-1. PMID: 31723198.

2. Stieglmeier F, Grab M, König F, Büch J, Hagl C, Thierfelder N. Mapping of bovine pericardium to enable a standardized acquirement of material for medical implants. J Mech Behav Biomed Mater. 2021; 118 (3): 104432. doi: 10.1016/j.jmbbm.2021.104432. PMID: 33853036.

3. Texakalidis P, Giannopoulos S, Charisis N, Giannopoulos S, Karasavvidis T, Koullias G, Jabbour P. A meta-analysis of randomized trials comparing bovine pericardium and other patch materials for carotid endarterectomy. J Vasc Surg. 2018; 68 (4): 1241–1256.e1. doi: 10.1016/j.jvs.2018.07.023. PMID: 30244928.

4. Morales MM, Anacleto A, Ferreira Leal JC, Greque VG, Souza AS Jr, Wolosker N. Saccular Superior Vena Cava Aneurysm: Case Report and Comprehensive Review. Ann Vasc Surg. 2021; 72: 666.e23–666.e32. doi: 10.1016/j.avsg.2020.10.033. PMID: 33333194.

5. Богданов ЛА, Осяев НЮ, Богданова ЮД, Мухамадияров РА, Шабаев АР, Евтушенко АВ, Кутихин АГ. Анализ топографических сценариев формирования очагов кальцификации в дисфункциональных клапанах сердца и атеросклеротических бляшках. Комплексные проблемы сердечно-сосудистых заболеваний. 2021; 10 (3): 26–33. doi: 10.17802/2306-1278-2021-10-3-26-33.

6. Kostyunin AE, Glushkova TV, Lobov AA, Ovcharenko EA, Zainullina BR, Bogdanov LA et al. Proteolytic Degradation Is a Major Contributor to Bioprosthetic Heart Valve Failure. J Am Heart Assoc. 2023; 12 (1): e028215. doi: 10.1161/JAHA.122.028215.

7. Koziarz A, Makhdoum A, Butany J, Ouzounian M, Chung J. Modes of bioprosthetic valve failure: a narrative review. Curr Opin Cardiol. 2020; 35 (2): 123–132. doi: 10.1097/HCO.0000000000000711. PMID: 31972604.

8. Wong ML, Griffiths LG. Immunogenicity in xenogeneic scaffold generation: antigen removal vs. decellularization. Acta Biomater. 2014; 10: 1806–1816. doi: 10.1016/j.actbio.2014.01.028.

9. Liu ZZ, Wong ML, Griffiths LG. Effect of bovine pericardial extracellular matrix scaffold niche on seeded human mesenchymal stem cell function. Sci Rep. 2016; 6: 37089. doi: 10.1038/srep37089.

10. Фадеева ИС. Роль клеток реципиента и нарушения структуры тканевого матрикса в механизме кальцификации трансплантатов сосудов и клапанов сердца: дис. … канд. биол. наук. Пущино, 2013; 158.

11. Bailey MT, Pillarisetti S, Xiao H, Vyavahare NR. Role of elastin in pathologic calcification of xenograft heart valves. J Biomed Mater Res A. 2003; 66 (1): 93–102. doi: 10.1002/jbm.a.10543. PMID: 12833435.

12. Millán Á, Lanzer P, Sorribas V. The Thermodynamics of Medial Vascular Calcification. Front Cell Dev Biol. 2021; 9: 633465. doi: 10.3389/fcell.2021.633465. PMID: 33937234; PMCID: PMC8080379.

13. Simionescu DT, Lovekamp JJ, Vyavahare NR. Extracellular matrix degrading enzymes are active in porcine stentless aortic bioprosthetic heart valves. J Biomed Mater Res A. 2003; 66 (4): 755–763. doi: 10.1002/jbm.a.10066. PMID: 12926026.

14. Wang X, Zhai W, Wu C, Ma B, Zhang J, Zhang H et al. Procyanidins-crosslinked aortic elastin scaffolds with distinctive anti-calcification and biological properties. Acta Biomater. 2015; 16: 81–93. doi: 10.1016/j.actbio.2015.01.028. PMID: 25641644.

15. 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: 909801. doi: 10.3389/fphar.2022.909801. PMID: 35721165; PMCID: PMC9204043.

16. Ohri R, Hahn SK, Hoffman AS, Stayton PS, Giachelli CM. Hyaluronic acid grafting mitigates calcification of glutaraldehyde-fixed bovine pericardium. J Biomed Mater Res A. 2004; 70 (2): 328–334. doi: 10.1002/jbm.a.30088. PMID: 15227678.

17. Raghavan D, Simionescu DT, Vyavahare NR. Neomycin prevents enzyme-mediated glycosaminoglycan degradation in bioprosthetic heart valves. Biomaterials. 2007; 28 (18): 2861–2868. doi: 10.1016/j.biomaterials.2007.02.017. PMID: 17353047; PMCID: PMC2262162.

18. Leong J, Munnelly A, Liberio B, Cochrane L, Vyavahare N. Neomycin and carbodiimide crosslinking as an alternative to glutaraldehyde for enhanced durability of bioprosthetic heart valves. J Biomater Appl. 2013; 27 (8): 948–960. doi: 10.1177/0885328211430542. PMID: 22207605.

19. Lei Y, Ning Q, Xia Y, Wang Y. Enzyme-oxidative-polymerization method for improving glycosaminoglycans stability and reducing calcification in bioprosthetic heart valves. Biomed Mater. 2019; 14 (2): 025012. doi: 10.1088/1748-605X/aafd7c. PMID: 30630147.

20. Cravedi P, Farouk S, Angeletti A, Edgar L, Tamburrini R, Duisit J et al. Regenerative immunology: the immunological reaction to biomaterials. Transpl Int. 2017; 30 (12): 1199–1208. doi: 10.1111/tri.13068. PMID: 28892571; PMCID: PMC6697146.

21. Ghadially FN. As you like it, Part 3: A critique and historical review of calcification as seen with the electron microscope. Ultrastruct Pathol. 2001; 25 (3): 243–267. doi: 10.1080/019131201300343874. PMID: 11465480.

22. Boskey AL, Posner AS. Extraction of a calcium-phospholipid-phosphate complex from bone. Calcif Tissue Res. 1976; 19 (4): 273–283. doi: 10.1007/BF02564010. PMID: 3268.

23. Neishabouri A, Khaboushan AS, Daghigh F, Kajbafzadeh AM, Zolbin MM. Decellularization in Tissue Engineering and Regenerative Medicine: Evaluation, Modification, and Application Methods. Front Bioeng Biotechnol. 2022; 10: 805299. doi: 10.3389/fbioe.2022.805299.

24. Coscas R, Bensussan M, Jacob MP, Louedec L, Massy Z, Sadoine J et al. Free DNA precipitates calcium phosphate apatite crystals in the arterial wall in vivo. Atherosclerosis. 2017; 259: 60–67. doi: 10.1016/j.atherosclerosis.2017.03.005.

25. Глушкова ТВ, Костюнин АЕ. Структура кальцификатов в биопротезах клапанов сердца, консервированных диглицидиловым эфиром этиленгликоля. Комплексные проблемы сердечно-сосудистых заболеваний. 2021; 10 (2): 16–24. doi: 10.17802/2306-1278-2021-10-2-16-24.

26. Лилли РД. Патогистологическая техника и практическая гистохимия. М.: МИР, 1969; 645.