kpcczКомплексные проблемы сердечно-сосудистых заболеванийComplex Issues of Cardiovascular Diseases2306-12782587-9537Federal State Budgetary Institution “Research Institute for Complex Issues of Cardiovascular Diseases”10.17802/2306-1278-2024-13-3-54-62kpccz-1407Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ. Патологическая физиологияORIGINAL STUDIES. Pathological physiologyВЛИЯНИЕ ЦИКЛИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ НА РЕЗИСТЕНТНОСТЬ МОДИФИЦИРОВАННОГО ПОЛИВИНИЛОВЫМ СПИРТОМ ЭПОКСИОБРАБОТАННОГО БЫЧЬЕГО ПЕРИКАРДА К КАЛЬЦИФИКАЦИИ И ПРОТЕОЛИТИЧЕСКОЙ ДЕГРАДАЦИИIMPACT OF CYCLIC LOADING ON THE RESISTANCE OF EPOXY-TREATED BOVINE PERICARDIUM MODIFIED WITH POLYVINYL ALCOHOL TO CALCIFICATION AND PROTEOLYTIC DEGRADATIONhttps://orcid.org/0000-0001-6099-0315КостюнинАлександр ЕвгеньевичKostyuninAlexander E.

кандидат биологических наук научный сотрудник лаборатории новых биоматериалов отдела экспериментальной медицины федерального государственного бюджетного научного учреждения «Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний», Кемерово, Российская Федерация

PhD, Researcher at the Laboratory of New Biomaterials, Department of Experimental Medicine, Federal State Budgetary Institution “Research Institute for Complex Problems of Cardiovascular Diseases”, Kemerovo, Russian Federation

Rhabdophis_tigrina@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4890-0393ГлушковаТатьяна ВладимировнаGlushkovaTatiana V.

кандидат биологических наук старший научный сотрудник лаборатории новых биоматериалов отдела экспериментальной медицины федерального государственного бюджетного научного учреждения «Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний», Кемерово, Российская Федерация

PhD, Senior Researcher at the Laboratory of New Biomaterials, Department of Experimental Medicine, Federal State Budgetary Institution “Research Institute for Complex Problems of Cardiovascular Diseases”, Kemerovo, Russian Federation

bio.tvg@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3211-1250КлышниковКирилл ЮрьевичKlyshnikovKirill Yu.

кандидат медицинских наук научный сотрудник лаборатории новых биоматериалов отдела экспериментальной медицины федерального государственного бюджетного научного учреждения «Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний», Кемерово, Российская Федерация

PhD, Researcher at the Laboratory of New Biomaterials, Department of Experimental Medicine, Federal State Budgetary Institution “Research Institute for Complex Issues of Cardiovascular Diseases”, Kemerovo, Russian Federation

klyshnikovk@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-4405-8904РезвоваМария АлександровнаRezvovaMaria A.

младший научный сотрудник лаборатории новых биоматериалов отдела экспериментальной медицины федерального государственного бюджетного научного учреждения «Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний», Кемерово, Российская Федерация

Junior Researcher at the Laboratory of New Biomaterials, Department of Experimental Medicine, Federal State Budgetary Institution “Research Institute for Complex Problems of Cardiovascular Diseases”, Kemerovo, Russian Federation

rezvovamaria@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0033-9376АкентьеваТатьяна НиколаевнаAkentyevaTatiana N.

младший научный сотрудник лаборатории новых биоматериалов отдела экспериментальной медицины федерального государственного бюджетного научного учреждения «Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний», Кемерово, Российская Федерация

Junior Researcher at the Laboratory of New Biomaterials, Department of Experimental Medicine, Federal State Budgetary Institution “Research Institute for Complex Problems of Cardiovascular Diseases”, Kemerovo, Russian Federation

t.akentyeva@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2404-2873ОнищенкоПавел СергеевичOnishchenkoPavel S.

младший научный сотрудник лаборатории новых биоматериалов отдела экспериментальной медицины федерального государственного бюджетного научного учреждения «Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний», Кемерово, Российская Федерация

Junior Researcher at the Laboratory of New Biomaterials, Department of Experimental Medicine, Federal State Budgetary Institution “Research Institute for Complex Problems of Cardiovascular Diseases”, Kemerovo, Russian Federation

onis.pavel@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-7477-3979ОвчаренкоЕвгений АндреевичOvcharenkoEvgeny A.

кандидат технических наук заведующий лабораторией новых биоматериалов отдела экспериментальной медицины федерального государственного бюджетного научного учреждения «Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний», Кемерово, Российская Федерация

PhD, Head of the Laboratory of New Biomaterials, Department of Experimental Medicine, Federal State Budgetary Institution “Research Institute for Complex Issues of Cardiovascular Diseases”, Kemerovo, Russian Federation

ov.eugene@gmail.comФедеральное государственное бюджетное научное учреждение «Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний»РоссияFederal State Budgetary Institution “Research Institute for Complex Issues of Cardiovascular Diseases”Russian Federation2024300920241335462Copyright © Костюнин А.Е., Глушкова Т.В., Клышников К.Ю., Резвова М.А., Акентьева Т.Н., Онищенко П.С., Овчаренко Е.А., 20242024Костюнин А.Е., Глушкова Т.В., Клышников К.Ю., Резвова М.А., Акентьева Т.Н., Онищенко П.С., Овчаренко Е.А.Kostyunin A.E., Glushkova T.V., Klyshnikov K.Y., Rezvova M.A., Akentyeva T.N., Onishchenko P.S., Ovcharenko E.A.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.nii-kpssz.com/jour/article/view/1407Основные положения

Основные положения:

 

 

Цель

Цель. Изучить резистентность эпоксиобработанного бычьего перикарда, модифицированного криоструктурированным поливиниловым спиртом, к кальцификации и протеолитической деградации в коллагеназе после воздействия циклической нагрузки.

Материал и методы

Материал и методы. Эпоксиобработанные ксеноперикардиальные лоскуты обрабатывали поливиниловым спиртом по оригинальной методике, после чего подвергали циклическому нагружению (70 млн циклов) в установке изучения циклостойкости HiCycle. Визуализацию поверхностной и внутренней структуры биоматериала выполняли посредством сканирующей электронной микроскопии. Резистентность образцов к кальцификации оценивали путем их инкубации в растворе, насыщенном ионами кальция и фосфат-ионами, в течение 3 и 6 нед. с последующим количественным измерением содержания кальция спектрофотометрическим методом. Подверженность образцов протеолитическому расщеплению определяли по потере массы после инкубации в растворе клостридиальной коллагеназы в течение 24 ч. Группой контроля при тестировании антикальциевых и антиферментных свойств модифицированной ткани выступали фрагменты немодифицированного эпоксиобработанного бычьего перикарда.

Результаты

Результаты. После циклического нагружения образцы модифицированного поливиниловым спиртом ксеноперикарда демонстрировали признаки усталостного повреждения полимерного компонента (наличие трещин на поверхности и крупных полостей во внутренней структуре). Несмотря на то что циклическая нагрузка значительно ухудшила резистентность модифицированной ткани к кальцификации и протеолитической деградации (в 3 и 5 раз соответственно относительно значений, полученных для хранившихся в статических условиях фрагментов), образцы из этой группы показали лучшие результаты по сравнению с образцами немодифицированного ксеноперикарда. Так, они содержали в полтора-два раза меньше кальция после 3 и 6 нед. инкубации в насыщенном кальцием растворе. Потеря массы после инкубации в коллагеназе также была в полтора раза ниже для подвергнутых циклическому нагружению фрагментов модифицированного биоматериала по сравнению с фрагментами контрольного.

Заключение

Заключение. Разработанный нами метод модификации эпоксиобработанного ксеноперикарда поливиниловым спиртом увеличивает резистентность биологической ткани к кальцификации и протеолитической деградации. Хотя циклическая нагрузка со временем ухудшает защитные свойства полимерного покрытия, этот вид обработки потенциально способен замедлить дегенерацию биоматериала, используемого в производстве биопротезов клапанов сердца.

Highlights

Highlights:

 

 

Aim

Aim. To study the resistance of epoxy-treated bovine pericardium modified with polyvinyl alcohol to calcification and proteolytic degradation in collagenase after exposure to cyclic loading.

Material and methods

Material and methods. The epoxy-treated patches made with xenopericardium were treated with polyvinyl alcohol according to the original method, after that they were subjected to cyclic loading (70 million cycles) using the HiCycle wear tester system. Visualization of the surface and internal structure of the biomaterial was performed by scanning electron microscopy. The resistance to calcification was assessed by incubating the samples in a solution saturated with calcium ions and phosphate ions for 3 and 6 weeks, followed by quantitative measurement of the calcium by spectrophotometry. The susceptibility of the samples to proteolytic degradation was determined by weight loss after incubation in a solution of clostridial collagenase for 24 hours. The control group consisted of patches of unmodified epoxy-treated bovine pericardium.

Results

Results. After cyclic loading, patches of xenopericardium modified with polyvinyl alcohol showed signs of fatigue (cracks on the surface and large cavities in the internal structure). Although cyclic loading significantly worsened the resistance of the modified tissue to calcification and proteolytic degradation (by 3 and 5 times, respectively, relative to the values obtained for patches stored under static conditions), patches from this group showed better results compared to unmodified patches. Thus, they contained 1.5 to 2 times less calcium after 3 and 6 weeks of incubation in a calcium-saturated solution. Mass loss after incubation in collagenase was 1.5 times lower for patches of modified biomaterial undergoing cyclic loading compared to unmodified patches.

Conclusion

Conclusion. The proposed modification method of the epoxy-treated xenopericardium with polyvinyl alcohol increases the resistance of biological tissue to calcification and proteolytic degradation. Although cyclic loading negatively affects the protective properties of the polymer coating over time, this type of modification can potentially slow down the degeneration of biomaterial used in manufacturing of bioprosthetic heart valves.

Биопротезы клапанов сердцаСтруктурная дегенерация клапанаПротеолизКальцификацияПоливиниловый спиртBioprosthetic heart valvesStructural valve degenerationProteolysisCalcificationPolyvinyl alcoholРабота выполнена при финансовой поддержке гранта Российского научного фонда (грант № 21-75-10107).The study was funded by the Russian Science Foundation (project No. 21-75-10107)ReferencesVelho T.R., Pereira R.M., Fernandes F., Guerra N.C., Ferreira R., Nobre Â. Bioprosthetic aortic valve degeneration: a review from a basic science perspective. Brazilian Journal of Cardiovascular Surgery. 2022; 37(2):239-250. doi:10.21470/1678-9741-2020-0635Velho T.R., Pereira R.M., Fernandes F., Guerra N.C., Ferreira R., Nobre Â. Bioprosthetic aortic valve degeneration: a review from a basic science perspective. Brazilian Journal of Cardiovascular Surgery. 2022; 37(2):239-250. doi:10.21470/1678-9741-2020-0635Bax J.J., Delgado V. Bioprosthetic heart valves, thrombosis, anticoagulation, and imaging surveillance. JACC: Cardiovascular Interventions. 2017; 10(4):388-390. doi:10.1016/j.jcin.2017.01.017Bax J.J., Delgado V. Bioprosthetic heart valves, thrombosis, anticoagulation, and imaging surveillance. JACC: Cardiovascular Interventions. 2017; 10(4):388-390. doi:10.1016/j.jcin.2017.01.017Otto C.M., Nishimura R.A., Bonow R.O., Carabello B.A., Erwin J.P., Gentile F., Jneid H., Krieger E.V. et al. 2020 ACC/AHA guideline for the management of patients with valvular heart disease: a report of the American College of Cardiology/American Heart Association Joint Committee on clinical practice guidelines. Circulation. 2021; 143(5):e72-e227. doi:10.1161/CIR.0000000000000923Otto C.M., Nishimura R.A., Bonow R.O., Carabello B.A., Erwin J.P., Gentile F., Jneid H., Krieger E.V. et al. 2020 ACC/AHA guideline for the management of patients with valvular heart disease: a report of the American College of Cardiology/American Heart Association Joint Committee on clinical practice guidelines. Circulation. 2021; 143(5):e72-e227. doi:10.1161/CIR.0000000000000923Pibarot P., Dumesnil J.G. Prosthetic heart valves: selection of the optimal prosthesis and long-term management. Circulation. 2009; 119(7):1034-1048. doi:10.1161/CIRCULATIONAHA.108.778886Pibarot P., Dumesnil J.G. Prosthetic heart valves: selection of the optimal prosthesis and long-term management. Circulation. 2009; 119(7):1034-1048. doi:10.1161/CIRCULATIONAHA.108.778886Tillquist M.N., Maddox T.M. Cardiac crossroads: deciding between mechanical or bioprosthetic heart valve replacement. Patient Preference and Adherence. 2011; 17(5):91-99. doi:10.2147/PPA.S16420Tillquist M.N., Maddox T.M. Cardiac crossroads: deciding between mechanical or bioprosthetic heart valve replacement. Patient Preference and Adherence. 2011; 17(5):91-99. doi:10.2147/PPA.S16420Dvir D., Bourguignon T., Otto C.M., Hahn R.T., Rosenhek R., Webb J.G., Treede H., Sarano M.E. et al. Standardized definition of structural valve degeneration for surgical and transcatheter bioprosthetic aortic valves. Circulation. 2018; 137(4):388-399. doi:10.1161/CIRCULATIONAHA.117.030729Dvir D., Bourguignon T., Otto C.M., Hahn R.T., Rosenhek R., Webb J.G., Treede H., Sarano M.E. et al. Standardized definition of structural valve degeneration for surgical and transcatheter bioprosthetic aortic valves. Circulation. 2018; 137(4):388-399. doi:10.1161/CIRCULATIONAHA.117.030729Kostyunin A.E., Yuzhalin A.E., Rezvova M.A., Ovcharenko E.A., Glushkova T.V., Kutikhin A.G. Degeneration of bioprosthetic heart valves: update 2020. Journal of the American Heart Association. 2020; 9(19):e018506. doi:10.1161/JAHA.120.018506Kostyunin A.E., Yuzhalin A.E., Rezvova M.A., Ovcharenko E.A., Glushkova T.V., Kutikhin A.G. Degeneration of bioprosthetic heart valves: update 2020. Journal of the American Heart Association. 2020; 9(19):e018506. doi:10.1161/JAHA.120.018506Shetty R., Pibarot P., Audet A., Janvier R., Dagenais F., Perron J., Couture C., Voisine P., Després J.P., Mathieu P. Lipid-mediated inflammation and degeneration of bioprosthetic heart valves. European Journal of Clinical Investigation. 2009; 39(6):471-480. doi:10.1111/j.1365-2362.2009.02132.xShetty R., Pibarot P., Audet A., Janvier R., Dagenais F., Perron J., Couture C., Voisine P., Després J.P., Mathieu P. Lipid-mediated inflammation and degeneration of bioprosthetic heart valves. European Journal of Clinical Investigation. 2009; 39(6):471-480. doi:10.1111/j.1365-2362.2009.02132.xSimionescu A., Simionescu D.T., Deac R.F. Matrix metalloproteinases in the pathology of natural and bioprosthetic cardiac valves. Cardiovascular Pathology. 1996; 5(6):323-332. doi:10.1016/s1054-8807(96)00043-9Simionescu A., Simionescu D.T., Deac R.F. Matrix metalloproteinases in the pathology of natural and bioprosthetic cardiac valves. Cardiovascular Pathology. 1996; 5(6):323-332. doi:10.1016/s1054-8807(96)00043-9Ding K., Zheng C., Huang X., Zhang S., Li M., Lei Y., Wang Y. A PEGylation method of fabricating bioprosthetic heart valves based on glutaraldehyde and 2-amino-4-pentenoic acid co-cross linking with improved antithrombogenicity and cytocompatibility. Acta Biomaterialia. 2022; 144:279-291. doi:10.1016/j.actbio.2022.03.026Ding K., Zheng C., Huang X., Zhang S., Li M., Lei Y., Wang Y. A PEGylation method of fabricating bioprosthetic heart valves based on glutaraldehyde and 2-amino-4-pentenoic acid co-cross linking with improved antithrombogenicity and cytocompatibility. Acta Biomaterialia. 2022; 144:279-291. doi:10.1016/j.actbio.2022.03.026Костюнин А.Е., Резвова М.А., Глушкова Т.В., Шишкова Д.К., Кутихин А.Г., Акентьева Т.Н., Овчаренко Е.А.Модификация поливиниловым спиртом эпоксиобработанного ксеноперикарда повышает его резистентность к кальцификации in vitro. Трансплантология 2023; 15(1):34-45. doi:10.23873/2074-0506-2023-15-1-34-45.Kostyunin A.E., Rezvova M.A., Glushkova T.V., Shishkova D.K., Kutikhin A.G., Akentieva T.N., Ovcharenko E.A. Polyvinyl alcohol improves resistance of epoxy-treated bovine pericardium to calcification in vitro. The Russian Journal of Transplantation. 2023; 15(1):34-45. doi:10.23873/2074-0506-2023-15-1-34-45. (In Russian)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. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2021; 118:104432. doi:10.1016/j.jmbbm.2021.104432Stieglmeier 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. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2021; 118:104432. doi:10.1016/j.jmbbm.2021.104432Dalgliesh A.J., Parvizi M., Noble C., Griffiths L.G. Effect of cyclic deformation on xenogeneic heart valve biomaterials. PLoS One. 2019; 14(6):e0214656. doi:10.1371/journal.pone.0214656Dalgliesh A.J., Parvizi M., Noble C., Griffiths L.G. Effect of cyclic deformation on xenogeneic heart valve biomaterials. PLoS One. 2019; 14(6):e0214656. doi:10.1371/journal.pone.0214656Soares J.S., Feaver K.R., Zhang W., Kamensky D., Aggarwal A., Sacks M.S. Biomechanical behavior of bioprosthetic heart valve heterograft tissues: characterization, simulation, and performance. Cardiovasc Eng Technol. 2016; 7(4):309-351. doi:10.1007/s13239-016-0276-8Soares J.S., Feaver K.R., Zhang W., Kamensky D., Aggarwal A., Sacks M.S. Biomechanical behavior of bioprosthetic heart valve heterograft tissues: characterization, simulation, and performance. Cardiovasc Eng Technol. 2016; 7(4):309-351. doi:10.1007/s13239-016-0276-8Shen M., Marie P., Farge D., Carpentier S., De Pollak C., Hott M., Chen L., Martinet B., Carpentier A. Osteopontin is associated with bioprosthetic heart valve calcification in humans. Comptes Rendus de l'Académie des Sciences - Series III. 1997; 320(1):49-57. doi:10.1016/s0764-4469(99)80086-9Shen M., Marie P., Farge D., Carpentier S., De Pollak C., Hott M., Chen L., Martinet B., Carpentier A. Osteopontin is associated with bioprosthetic heart valve calcification in humans. Comptes Rendus de l'Académie des Sciences - Series III. 1997; 320(1):49-57. doi:10.1016/s0764-4469(99)80086-9Nkhwa S., Kemal E., Gurav N., Deb S. Dual polymer networks: a new strategy in expanding the repertoire of hydrogels for biomedical applications. Journal of Materials Science: Materials in Medicine.2019; 30:114. doi:10.1007/s10856-019-6316-9Nkhwa S., Kemal E., Gurav N., Deb S. Dual polymer networks: a new strategy in expanding the repertoire of hydrogels for biomedical applications. Journal of Materials Science: Materials in Medicine.2019; 30:114. doi:10.1007/s10856-019-6316-9Pazos V., Mongrain R., Tardif J.C. Polyvinyl alcohol cryogel: optimizing the parameters of cryogenic treatment using hyperelastic models. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2009; 2(5):542-549. doi:10.1016/j.jmbbm.2009.01.003Pazos V., Mongrain R., Tardif J.C. Polyvinyl alcohol cryogel: optimizing the parameters of cryogenic treatment using hyperelastic models. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2009; 2(5):542-549. doi:10.1016/j.jmbbm.2009.01.003Tong X., Zheng J., Lu Y., Zhang Z., Cheng H. Swelling and mechanical behaviors of carbon nanotube/poly(vinyl alcohol) hybrid hydrogels. Materials Letters. 2007; 61(8-9):1704-1706. doi:10.1016/j.matlet.2006.07.115Tong X., Zheng J., Lu Y., Zhang Z., Cheng H. Swelling and mechanical behaviors of carbon nanotube/poly(vinyl alcohol) hybrid hydrogels. Materials Letters. 2007; 61(8-9):1704-1706. doi:10.1016/j.matlet.2006.07.115Zheng Q., Javadi A., Sabo R., Cai Z., Gong S. Polyvinyl alcohol (PVA)–cellulose nanofibril (CNF)–multiwalled carbon nanotube (MWCNT) hybrid organic aerogels with superior mechanical properties. RSC Advances. 2013; 3(43):20816 doi:10.1039/c3ra42321bZheng Q., Javadi A., Sabo R., Cai Z., Gong S. Polyvinyl alcohol (PVA)–cellulose nanofibril (CNF)–multiwalled carbon nanotube (MWCNT) hybrid organic aerogels with superior mechanical properties. RSC Advances. 2013; 3(43):20816 doi:10.1039/c3ra42321b

The authors declare that there are no conflicts of interest present.