ВЛИЯНИЕ ЦИКЛИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ НА РЕЗИСТЕНТНОСТЬ МОДИФИЦИРОВАННОГО ПОЛИВИНИЛОВЫМ СПИРТОМ ЭПОКСИОБРАБОТАННОГО БЫЧЬЕГО ПЕРИКАРДА К КАЛЬЦИФИКАЦИИ И ПРОТЕОЛИТИЧЕСКОЙ ДЕГРАДАЦИИ

Основные положения:

• Модификация эпоксиобработанного ксеноперикарда поливиниловым спиртом повышает его устойчивость к кальцификации и протеолитической деградации in vitro.
• Циклические нагрузки способствуют усталостному разрушению полимерного компонента модифицированного биоматериала, что сопровождается ухудшением его антикальциевых и антиферментных свойств. Требуются дополнительные исследования, которые следует нацелить на улучшение износостойкости гидрогеля, включенного в состав биоткани.

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

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. 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. 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.

1. Velho 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:10.21470/1678-9741-2020-0635

2. Bax 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.2017.01.017

3. Otto 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.0000000000000923

4. Pibarot 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.108.778886

5. Tillquist 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.S16420

6. Dvir 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.117.030729

7. Kostyunin 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.120.018506

8. Shetty 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.x

9. Simionescu 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)00043-9

10. Ding 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.2022.03.026

11. Костюнин 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.

12. 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.2021.104432

13. Dalgliesh 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.0214656

14. Soares 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/s13239-016-0276-8

15. Shen 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)80086-9

16. Nkhwa 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/s10856-019-6316-9

17. Pazos 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.2009.01.003

18. Tong 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.2006.07.115

19. Zheng 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