Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Исследована анатомия и функция митрального клапана (МК) с использованием методики 3D-эхокардиографии и МСКТ. Методом 3D-эхо исследованы критические параметры функционирования митрального клапана у 30 пациентов, страдающих функциональной митральный недостаточностью (ФМН) и у 15 пациентов контрольной группы больных без нарушения функции МК. Все исследования выполнены на аппарате Philips iE33 xMATRIX с последующим трехмерным количественным анализом митрального клапана (Mitral Valve 3D Quantification) при использовании программного пакета QLab. Нами были оценены такие параметры, как площадь митрального кольца (ПМК) и контрактильность фиброзного кольца МК, рассчитанное как процентное соотношение наибольшей ПМК к наименьшему ее значению, а также был оценен такой параметр, как вертикальная экскурсия митрального кольца (ВЭМК), определенная, как меняющаяся дистанция от центральной точки плоскости МК к наиболее удаленной точке (по длинной оси) к верхушке левого желудочка. Нами было показано, что контрактильная активность фиброзного кольца МК достоверно снижается у пациентов с ишемической митральный недостаточностью в сравнении с контрольной группой пациентов. У пациентов с ФМН наименьшее значение ПМК приходилось на позднюю систолу сердечного цикла (последняя ее треть), в то время как при нормально функционирующем МК это происходило в раннюю систолу (начальная ее треть). При сравнительном анализе с контрольной группой, пациенты с ФМН имели статистически достоверный больший максимум и минимум для значения ПМК (7.1 ± 1.4 с сравнении с 3.9 ± 0.7 cм2; 8.5 ± 1.2 в сравнении с 6.1 ± 1.3 см2, p< 0.001 - для обоих параметров). Нами было показано, что контрактильная активность фиброзного кольца МК достоверно снижается у пациентов с ишемической митральный недостаточностью в сравнении с контрольной группой пациентов, составив (25.2 ± 6.7% в сравнении с 41.9 ± 7.2%, p< 0.001). При проведении корреляционного анализа была получена статистически значимая положительная взаимосвязь между выраженностью МН (значение EROA) и минимальным значением ПМК (r = 0.65, p< 0.001), а также контрактильной активностью фиброзного кольца МК (r = 0.79, p< 0.001). С другой стороны было показано, что такой важный параметр функционирования митрально-желудочкового комплекса, как ВЭМК, достоверно меньше изменялся во время сердечного кардиоцикла при сравнении с контрольной группой (5.4 ± 2.1 в сравнении с 11.1 ± 3.1 мм, p< 0.001). На основании полученных данных определены варианты пространственной конфигурации фиброзного кольца в систолу и диастолу, варьирование дистанции между фиброзным кольцом митрального клапана и папиллярными мышцами, а также верхушкой левого желудочка; расстояние между проекциями комиссур на стенку левого желудочка, длина хорд I и II порядка, площадь и высота коаптации створок в норме и при митральной недостаточности. Создана модель биотехнической системы, интегрирующая аппарат митрального клапана с левым желудочком. По результатам этих исследований готовится статья в журнал «Computers in Biology and Medicine». Изучение функциональной анатомии митрального клапана легло в основу статьи «Патология митрального клапана при дисплазии соединительной ткани», опубликованной в «Российском кардиологическом журнале» (2016, №11, с.81-86). На основании проведенных 3D эхокардиографический исследований у пациентов с ФМР нами был разработан принципиальный дизайн каркасов круглого сечения и сечения, повторяющего плоскость фиброзного кольца нативного митрального клапана. Разработана детальная конструкция транскатетерного митрального биопротеза круглого сечения для выполнения повторного протезирования по методике «клапан-в-клапан». Вариант крепления со стороны желудочка - фиксация за створки ранее имплантированного биопротеза. Разработанная модель каркаса была прототипирована. Расчет и построение трехмерных моделей каркаса, а также основных чертежей осуществляли в среде автоматизированного проектирования CATIA V5 (Dassault Systems, Франция). В качестве материала каркаса был выбран сплав никелида титана медицинской марки, соответствующий стандарту ASTM F-2063 (Vascotube GmbH, Germany), обладающий эффектом сверхэластичности за счет фазового перехода «аустенит – мартенсит» при возникновении высокого механического напряжения. Примененный конструкторский подход позволил унифицировать процесс лазерной резки нитиноловой трубки: все конечные размеры каркаса – от 23 до 31 мм – выполнены на базе единой конструкции. Различия диаметров каркаса получены при термическом формообразовании. При контроле состоятельности конструкции методом конечных элементов в комплексе инженерного расчета ABAQUS (Dassault Systems, Франция) с построением сетки, состоящей из 19’200 кубических элементов, наибольшее значение напряжения, визуализированное на эпюрах, было ожидаемо получено в зонах обратных изгибов ячеек фиксаторов в выводной зоне каркаса, однако абсолютные значения не превышали порогового (1070 МПа) – 664,4 и 790,6 МПа для диаметров 23 и 31 мм, соответственно. Опытные образцы каркасов для транскатетерного биопротеза были изготовлены методом лазерной резки на установке A-1 Laser International (США) с электрохимической полировкой из трубы внешнего диаметра 7,00 мм, с толщиной стенки 0,50 мм. Закрепление цилиндирической формы и придание конечного диаметра выполнено термической обработкой в соляной ванне. Были разработаны чертежи лекал для выкраивания створчатого аппаратаи облицовки клапанов каждого диаметра – 23-31 мм. Створчатый аппарат вырезали лазером из пластин свиного перикарда, консервированного диглицидиловым эфиром этиленгликоля, и монтировали на каркасе. Для данного биопротеза разработан концепт системы доставки, унифицированной для трансапикального и трансатриального доступа. Впервые было предложено при трансатриальном доступе использовать полностью торакоскопическую технологию транскатетерного репротезирования биопротеза в митральной позиции двумя способами с использованием четырех троакарных портов: 1. с использованием левопредсердного доступа; 2. при выраженном спаечном процессе - доступом через правое предсердие с пункцией межпредсердной перегородки в области овальной ямки. Разработан способ модификации биоматериала низкомолекулярными гепаринами (НМГ). Для увеличения количества реакционно-способных групп в состав консерванта было введено оригинальное вещество с разветвленной структурой и большим количеством эпоксигрупп – пента-О-{1-[2-(глицидилокси)этокси]-этил}-D-глюкопираноза (пентаэпоксид). Была разработана методика лазерного сглаживания (кондиционирования) фиброзной поверхности ксеноперикарда. Применение пентаэпоксида в комплексе с лазерным воздействием позволило уменьшить толщину биоматериала без потери интегральной прочности, а также ввести в биоматериал дополнительные реакционно-способные группы для связывания гепарина. Модификацию поверхностей выполняли с использованием 4 различных гепаринов: нефракционированного гепарина, дальтепарина натрия, эноксапарина натрия (Клексан), бемипарина натрия (Цибор). Наиболее выраженное улучшение гемосовместимых свойств было достигнуто при использовании низкомолекулярных гепаринов. Через 3 ч контакта с кровью ксеноперикард, обработанный эноксапарином и бемипарином натрия, сорбировал 8-10 мг/см2 белков (необработанный – 50 мг/см2), при этом состав сорбированных белков на 95% был представлен альбумином. Скорость агрегации тромбоцитов при контакте с этими образцами составила 31%/мин, что практически не отличалось от контрольных показателей (кровь, не контактировавшая с биоматериалом) – 30%/мин, тогда как немодифицированный и модифицированный нефракционированным гепарином биоматериал увеличивали скорость агрегации до 45 и 38%/мин, соответственно.

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Методами автоматизированного проектирования был создан концепт и рассчитана конструкция транскатетерного биопротеза для имплантации в нативный митральный клапан реципиента. Опорный каркас клапана представляет собой стентовую конструкцию из никелида титана, форма его центральной зоны, а, следовательно, и форма протеза в целом воспроизводит пропорции митрального клапана человека. Методами математического моделирования было изучено биомеханическое поведение разработанного концепта в цикле «обжатие в катетере – расправление в зоне имплантации», а также устойчивость биопротеза к циклическим нагрузкам, возникающим в позиции митрального клапана. Показано, что функционирование биопротеза не приводит к существенному изменению напряженно – деформированного состояния конструкции. Напряжения и деформации не превышают принятые пределы прочности; основное влияние на усталостную прочность конструкции оказывает напряженно – деформированное состояние, полученное на этапе обжатия в катетер. Выполнена корректировка конструкции разработанного ранее каркаса круглого сечения, предназначенного для имплантации «протез-в-протез»: из конструкции удален один из трех желудочковых фиксаторов, перекрывавших выводной отдел левого желудочка. В эксперименте на модели изолированного сердца свиньи показано, что корректированная конструкция не влияет на упаковку протеза в систему доставки и его раскрытие в зоне имплантации; выводной отдел левого желудочка после завершения манипуляций не блокирован. Для этого биопротеза была разработана и прототипирована система доставки, унифицированная для трансапикального и трансатриального доступа. Конструкция центрального катетера системы выполнена таким образом, чтобы при трансапикальном доступе сначала высвобождалась манжета протеза, а при трансатриальном – желудочковые фиксаторы створок. Это обеспечивает связь протеза с системой доставки до момента окончательного позиционирования, которое возможно после закрепления биопротеза в одной из анатомических зон - в предсердии (при трансапикальном доступе) либо в желудочке (при трансатриальном доступе). Только после этого биопротез полностью освобождается из системы доставки. Экспериментальная апробация разработанной доставочной системы была выполнена in vitro на модели сердца свиньи и позволила констатировать адекватность конструкторской разработки. Выполнено прототипирование каркасов круглого (диаметр 27 мм) и овального (большой диаметр 40 мм) сечений, оценены их функциональные характеристики в стенде пульсирующего потока жидкости. По результатам испытаний было установлено, что функциональные характеристики исследованных типоразмеров клапанов обеих моделей отвечают параметрам, регламентированным ГОСТ 31618-2012. Транспротезный градиент на клапане круглого сечения составляет 3,0+0,3 мм рт.ст., на клапане овального сечения – 3,5+0,5 мм рт.ст.; максимальная площадь открытия – не менее 60% от площади внутреннего сечения каркаса; объем обратных утечек – не более 4 мл/цикл. Начато тестирование обеих моделей в стенде циклической нагрузки (длительность испытаний – более 6 месяцев, они должны отработать не менее 200 млн.циклов без признаков повреждений структуры или нарушения функции). Разработан способ модификации биоматериалов, используемых в производстве биопротезов клапанов сердца, повышающий их устойчивость к самому частому осложнению - кальцификации в организме больного. Для этого выполнен скрининг из 6 бисфосфоновых соединений, 4 из которых являются фармакологическими препаратами, 2 – продуктами оригинального синтеза Института органической химии им.Н.Н.Ворожцова СО РАН. Разработана технология иммобилизации этих соединений на биоматериалы – аортальную стенку свиньи, стенку яремной вены и перикард крупного рогатого скота. Исследование антикальциевой эффективности было выполнено на модели ускоренной кальцификации при подкожной имплантации биоматериалов молодым растущим крысам. Результаты оценивали путем количественного определения кальция в биоматериале методом атомной абсорбционной спектрометрии, световой микроскопии и сканирующей электронной микроскопии с элементным анализом. Было установлено, что для биоматериалов, имеющих в составе много коллагена (перикард и ксеновенозная стенка) эффективной является технология базовой консервации диэпоксидом с последующей иммобилизацией фармакологического бисфосфонового соединения - памидроновой кислоты, в то время как для аортальной стенки, в которой преобладающими тканевыми компонентами являются эластин и гладкомышечные клетки, наиболее эффективна базовая консервация глутаровым альдегидом с дополнительной обработкой памидроновой кислотой. По результатам работы в 2017 г. опубликовано 4 статьи в журналах, индексируемых в WoS и Scopus, 2 – в индексируемых РИНЦ. Принята к печати еще 1 статья, 4 готовятся к публикации. Поданы 2 заявки о выдаче патентов на изобретения, 1 патент получен по заявке 2016 г. Были сделаны 2 устных доклада на 31-м съезде Европейской Ассоциации кардио-торакальных хирургов.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В текущем году была доработана модель транскатетерного биопротеза овального сечения с использованием ранее разработанной компьютерной модели левых отделов сердца и митрального клапана. Устранены первоначальные недостатки конструкции – избыточная высота стоек, дефицит ячеек манжеты, неадекватное расположение фиксирующих элементов в желудочковой зоне. Также были завершены испытания биопротезов круглого и овального сечения на устойчивость к ускоренной знакопеременной нагрузке в установке оценки циклостойкости. По результатам испытаний было установлено, что функциональные характеристики исследованных типоразмеров клапанов обеих моделей по достижении 200 млн. циклов отвечают параметрам, регламентированным ГОСТ 31618-2012: транспротезный градиент на клапане круглого сечения составляет 3,0+0,3 мм рт.ст., на клапане овального сечения – 3,5+0,5 мм рт.ст.; максимальная площадь открытия – не менее 60% от площади внутреннего сечения каркаса; объем обратных утечек – не более 4 мл/цикл. В связи с положительными результатами испытаний был сделан вывод о том, что необходимость корректировки методики фиксации биоматериала на опорном каркасе отсутствует. Конструкция биопротезов верифицирована как пригодная для дальнейших испытаний in vitro и in vivo. Следующим этапом проведена оценка состоятельности системы доставки и конструкции клапана круглого сечения «Солертис» при имплантации in vitro. в позицию митрального клапана изолированного сердца свиньи с использованием доступа через верхушку левого желудочка. Протез «Солертис» представляет собой протез на основе самораскрывающегося каркаса из сверхэластичного нитинола со створчатым аппаратом и облицовкой из свиного перикарда. Каркас клапана имеет осесимметричную округлую форму аннулярной части, которая за счет радиальных распирающих сил закрепляется в позиции фиброзного кольца митрального клапана. Желудочковая часть протеза представлена двумя крючками, которые, фиксируясь за заднюю створку митрального клапана, выполняют «якорную» функцию. Прототип системы доставки представляет собой катетер диаметром 9 мм, состоящий из ручки управления, катетерной части и рабочей части, удерживающей и обеспечивающий доставку прототипа протеза. Рабочая часть спроектирована таким образом, что позволяет упаковать биопротез в кожух системы в двух вариантах: для имплантации через верхушку желудочка и через левое предсердие. Подготовительный этап процедуры заключался в кримпировании (сжатии) прототипа протеза с использованием охлажденного физиологического раствора температурой 5 oC, который позволяет обратимо пластически деформировать опорный каркас и упаковать его в систему доставки – в рабочую часть с фиксацией кожухом. Далее через прокол верхушки левого желудочка в полость желудочка, а затем левого предсердия заводили систему доставки с упакованным протезом. После позиционирования протеза с помощью ручки управления, проводили сдвиг кожуха доставочной системы таким образом, чтобы обеспечить контролируемое последовательное извлечение протеза. После имплантации протеза оценивали качество позиционирования и закрытие створок видом «из левого желудочка» и «левого предсердия». В ходе имплантации in vitro все элементы разработанной системы функционировали прогнозируемо и соответствовали требованиям, предъявляемым к их работе и совместимости. Так, система доставки позволила вместить в рабочую область сжатый протез без деформирования створок или их разрыва. После высвобождения протеза из системы доставки достигнуто восстановление диаметра опорного каркаса и полноценное замыкание створок за счет упругих свойств материала каркаса (нитинола) и его геометрии. Фиксирующие элементы каркаса заняли предусмотренное конструкцией положение и обеспечили стабильное закрепление транскатетерного протеза в позиции нативного митрального клапана. Результаты тестирования прототипов биопротеза и системы доставки in vitro были оценены как успешные, т.к. удалось воспроизвести основные этапы как подготовки системы, так и непосредственно имплантации, что позволило перейти к следующему этапу испытаний – эксперименту на лабораторных животных. В качестве модели были выбраны свиньи (n=6). До операции животным выполняли ультразвуковое исследование с целью определения необходимого размера протеза. Операции выполняли в условиях экспериментальной операционной с соблюдением принципов асептики и антисептики под общей комбинированной анестезией. Выполняли левостороннюю боковую торакотомию по 4-ому межреберью. Подключение аппарата искусственного кровообращения осуществляли через восходящую аорту и правое предсердие. Во всех случаях имплантация протеза выполнена «открытым» способ под прямым визуальным контролем с использованием доступа через ушко левого предсердия в условиях параллельного искусственного кровообращения и фибриллирующего сердца. В левый желудочек заводили систему доставки с кримпированным протезом. После позиционирования и ориентации протеза в проекции фиброзного кольца митрального клапана, осуществляли высвобождение желудочковых фиксаторов, далее последовательно высвобождали аннулярную и предсердную части протеза. Дополнительной фиксации протеза не производили. Гидравлическая проба во всех случаях продемонстрировала удовлетворительную замыкательную функцию клапанного аппарата протеза, плотное прилегание каркаса к фиброзному кольцу митрального клапана с отсутствием парапротезного сброса. По данным чреспищеводной эхокардиографии, проведенной после отключения от искусственного кровообращения, траспротезная регургитация была незначительной, парапротезной регургитации не зафиксировано, пиковые транспротезный градиенты не превышали 5 мм рт. ст., элементы каркаса протеза и клапанный аппарат нативного митрального клапана не создавали обструкции на уровне выходного отдела левого желудочка. Одному животному контрольное ультразвуковое исследование было выполнено через 4 месяца после имплантации: биопротез сохранял нормальную замыкательную функцию, полноценно открывался, признаков транс- и парапротезной регургитации не отмечено. В одном случае отмечен летальный исход через 2,5 мес. после имплантации в связи с развитием пневмонии. На аутопсии признаков дисфункции биопротеза не выявлено, при гистологическом исследовании были обнаружены начальные признаки протезного эндокардита. У остальных животных сроки наблюдения составили менее 3 месяцев. Постимплантационный период протекает без осложнений. В целом, разработанная система доставки и прототип протеза в экспериментах in vitro и in vivo продемонстрировали свою состоятельность с позиции обеспечения процедуры транскатетерной имплантации биологического протеза митрального клапана при использовании как трансапикального, так и трансатриального доступа. Устройство доставки позволило без деформации каркаса и нарушения целостности створок осуществить доставку и высвобождение протеза в зоне имплантации. Упругие свойства материала каркаса обеспечили восстановление формы протеза после высвобождения из системы доставки и адекватное функционирование клапанного аппарата, что подтверждено данным ультразвукового исследования. В ходе испытаний выявлена необходимость проведения ряда корректировок в дизайне изделия с целью оптимизации процедуры имплантации: переработка дизайна каркаса с учетом габаритов системы доставки, создание радиальной симметрии желудочковой части каркаса (переход к конструкции с тремя желудочковыми фиксаторами), удлинение ячеек центральной зоны, снижение радиальной жесткости каркаса. По результатам работы в 2018 г. опубликовано 4 статьи в журналах, индексируемых в WoS и Scopus, 1 – в РИНЦ. Принята к печати 1 статья в журнал, индексируемый в Scopus. Были сделаны 2 устных доклада на 32-м съезде Европейской Ассоциации кардио-торакальных хирургов.