Sirds vārstuļi

Iepriekš tika uzskatīts, ka visi sirds vārsti ir vienkāršas struktūras, kuru ieguldījums vienvirziena asins plūsmā ir vienkārši pasīva kustība, reaģējot uz pielietoto spiediena gradientu. Šī izpratne par "pasīvajām struktūrām" noveda pie "pasīvo" mehānisko un bioloģisko vārstuļu aizstājēju izstrādes.

Tagad kļūst acīmredzams, ka sirds vārstiem ir sarežģītāka struktūra un funkcija. Tāpēc "aktīva" sirds vārstuļa aizvietotāja izveide paredz ievērojamu struktūras un funkcijas līdzību ar dabisko sirds vārstuļu, kas nākotnē ir diezgan reāli, pateicoties audu inženierijas attīstībai.

Sirds vārstuļi attīstās no mezenhimālo audu embrionāliem rudimentiem endokarda veidošanās laikā. Morfogēzes laikā veidojas atrioventrikulārais kanāls (trikuspidālie un mitrālie sirds vārsti) un kambaru izplūdes trakts (aortas un plaušu sirds vārsti).

[ 1 ], [ 2 ], [ 3 ], [ 4 ], [ 5 ]

Kā ir sakārtoti sirds vārsti?

Vārstuļu asinsapgādes pētījumus uzsāka N. Luška (1852), kurš sirds asinsvados injicēja kontrastmasu. Viņš atklāja daudzus asinsvadus aortas un plaušu artērijas atrioventrikulāro un puslunāro vārstuļu galos. Tajā pašā laikā vairākās patoloģiskās anatomijas un histoloģijas rokasgrāmatās bija norādes, ka neizmainītiem cilvēka sirds vārstiem nav asinsvadu, un pēdējie vārstos parādās tikai dažādos patoloģiskos procesos - aterosklerozē un dažādu etioloģiju endokardītā. Informācija par asinsvadu neesamību galvenokārt balstījās uz histoloģiskiem pētījumiem. Tika pieņemts, ka, ja galosu brīvajā daļā nav asinsvadu, to barošanās notiek, filtrējot šķidrumu no asins plazmas, kas mazgā galosus. Tika atzīmēta dažu asinsvadu iekļūšana kopā ar svītroto muskuļu audu šķiedrām vārstuļu pamatnēs un cīpslu hordās.

Tomēr, injicējot sirds traukos dažādas krāsvielas (Indijas tinte želatīnā, bismuts želatīnā, melnās Indijas tintes ūdens suspensija, karmīna vai tripāna zilā šķīdumi), tika konstatēts, ka trauki iekļūst atrioventrikulārajos sirds vārstuļos, aortas vārstuļos un plaušu artērijā kopā ar sirds muskuļu audiem, nedaudz nesasniedzot vārstuļa brīvo malu.

Atrioventrikulārā vārstuļa galotņu vaļīgajos šķiedru saistaudos tika atrasti atsevišķi galvenie asinsvadi, kas anastomozēja ar asinsvadiem blakus esošajās sirds svītroto muskuļu audu zonās.

Vislielākais asinsvadu skaits atradās šo vārstu pamatnē un salīdzinoši mazāks skaits - brīvajā daļā.

Saskaņā ar K. I. Kulčicka u.c. (1990) datiem, mitrālajā vārstulē ir konstatēts lielāks arteriālo un venozo asinsvadu diametrs. Šī vārstuļa galotņu pamatnē galvenokārt atrodas galvenie asinsvadi ar šauru cilpu kapilāru tīklu, kas iekļūst galotnes bazālajā daļā un aizņem 10% no tā laukuma. Trikuspidālajā vārstulē arteriālajiem asinsvadiem ir mazāks diametrs nekā mitrālajā vārstulē. Šī vārstuļa galotnēs galvenokārt ir izkliedēti asinsvadi un salīdzinoši platas asins kapilāru cilpas. Mitrālajā vārstulē intensīvāk ar asinīm tiek apgādāts priekšējais galotne, trikuspidālajā vārstulē - priekšējais un aizmugurējais galotne, kas veic galveno aizvēršanas funkciju. Pieaugušu cilvēku sirds atrioventrikulārajos vārstos arteriālo un venozo asinsvadu diametru attiecība ir 1:1,5. Kapilāro cilpu forma ir daudzstūraina un atrodas perpendikulāri vārstuļu galotņu pamatnei. Asinsvadi veido plakanu tīklu, kas atrodas zem endotēlija priekškambaru pusē. Asinsvadi ir atrodami arī cīpslu hordās, kur tie iekļūst no labā un kreisā kambara papilārajiem muskuļiem attālumā līdz pat 30% no cīpslu hordu garuma. Cīpslu hordu pamatnē daudzi asinsvadi veido lokveida cilpas. Aortas un plaušu stumbra sirds vārstuļi ievērojami atšķiras no atrioventrikulārajiem vārstiem asinsapgādes ziņā. Galvenie asinsvadi ar relatīvi mazāku diametru tuvojas aortas un plaušu stumbra vārstuļu puslunāro galotņu pamatnei. Šo asinsvadu īsie zari beidzas ar neregulāras ovālas un daudzstūrainas formas kapilāru cilpām. Tie galvenokārt atrodas puslunāro galotņu pamatnes tuvumā. Arī venozajiem asinsvadiem aortas un plaušu vārstuļu pamatnē ir mazāks diametrs nekā tiem, kas atrodas atrioventrikulāro vārstuļu pamatnē. Pieaugušu cilvēku sirds aortas un plaušu vārstuļu arteriālo un venozo asinsvadu diametru attiecība ir 1:1,4. No lielākiem asinsvadiem stiepjas īsi sānu zari, kas beidzas ar neregulāras ovālas un daudzstūrainas formas kapilāru cilpām.

Ar vecumu saistaudu šķiedras, gan kolagēna, gan elastīgās, kļūst rupjākas, kā arī samazinās vaļīgo, neveidojušos saistaudu daudzums, attīstās atrioventrikulāro vārstuļu galotņu un aortas un plaušu artērijas vārstuļu puslunāro galotņu audu skleroze. Samazinās sirds svītroto muskuļu šķiedru garums vārstos, un līdz ar to samazinās to daudzums un asinsvadu skaits, kas iekļūst sirds vārstuļos. Šo izmaiņu dēļ sirds vārsti zaudē savas elastīgās un elastīgās īpašības, kas ietekmē vārstuļu aizvēršanās mehānismu un hemodinamiku.

Sirds vārstuļiem ir limfātisko kapilāru tīkli un neliels skaits limfvadu, kas aprīkoti ar vārstiem. Kuspu limfātiskajiem kapilāriem ir raksturīgs izskats: to lūmens ir ļoti nevienmērīgs, vienam un tam pašam kapilāram dažādās vietās ir atšķirīgs diametrs. Vietās, kur saplūst vairāki kapilāri, veidojas paplašinājumi - dažādu formu lakūnas. Tīklu cilpas bieži ir neregulāras daudzstūrainas, retāk ovālas vai apaļas. Bieži limfātisko tīklu cilpas nav aizvērtas, un limfātiskie kapilāri beidzas akli. Limfātisko kapilāru cilpas visbiežāk ir orientētas virzienā no kuppa brīvās malas uz tā pamatni. Dažos gadījumos atrioventrikulārā vārstuļa kuppos tika konstatēts divslāņu limfātisko kapilāru tīkls.

Endokardiālie nervu pinumi atrodas tā dažādos slāņos, galvenokārt zem endotēlija. Vārstuļu galotņu brīvajā malā nervu šķiedras galvenokārt atrodas radiāli, savienojoties ar cīpslu hordu šķiedrām. Tuvāk galotņu pamatnei veidojas rupjš nervu pinums, kas savienojas ar pinumu, kas atrodas ap šķiedru gredzeniem. Puslunārajos galotnēs endokardiālais nervu tīkls ir retāks. Vārstuļu piestiprināšanās vietā tas kļūst blīvs un daudzslāņains.

Sirds vārstuļu šūnu struktūra

Vārstuļu intersticiālās šūnas, kas atbild par vārstuļa struktūras uzturēšanu, ir iegarenas formas ar daudziem smalkiem izaugumiem, kas stiepjas visā vārstuļa matricā. Ir divas vārstuļu intersticiālo šūnu populācijas, kas atšķiras pēc morfoloģijas un struktūras; vienai ir saraušanās īpašības un to raksturo saraušanās fibrilu klātbūtne, otrai ir sekrēcijas īpašības un tai ir labi attīstīts endoplazmatiskais tīkls un Goldži aparāts. Kontrakcijas funkcija pretojas hemodinamiskajam spiedienam, un to papildus atbalsta gan sirds, gan skeleta saraušanās olbaltumvielu ražošana, kas ietver alfa un beta miozīna smagās ķēdes un dažādas troponīna izoformas. Ir pierādīta sirds vārstuļa lapiņas kontrakcija, reaģējot uz vairākiem vazoaktīviem līdzekļiem, kas liecina par koordinētu bioloģisku stimulu veiksmīgai vārstuļa funkcijai.

Intersticiālās šūnas ir arī būtiskas tādu struktūru kā sirds vārstuļu atjaunošanas sistēmas sastāvdaļas. Pastāvīgā vārstuļu lapiņu kustība un ar to saistītā saistaudu deformācija rada bojājumus, uz kuriem reaģē vārstuļu intersticiālās šūnas, lai saglabātu vārstuļa integritāti. Šķiet, ka atjaunošanas process ir vitāli svarīgs normālai vārstuļu funkcijai, un šo šūnu neesamība pašreizējos mākslīgo vārstuļu modeļos, visticamāk, ir viens no bioprotēžu strukturālo bojājumu veicinošajiem faktoriem.

Svarīga pētījumu joma intersticiālajās šūnās ir to mijiedarbības ar apkārtējo matricu izpēte, ko mediē fokālās adhēzijas molekulas. Fokālās adhēzijas ir specializētas šūnu un matricas mijiedarbības vietas, kas savieno šūnas citoskeletu ar matricas olbaltumvielām, izmantojot integrīnus. Tās darbojas arī kā signālu pārraides vietas, pārraidot mehānisku informāciju no ārpusšūnu matricas, kas var izraisīt reakcijas, tostarp, bet ne tikai, šūnu adhēziju, migrāciju, augšanu un diferenciāciju. Izpratne par vārstuļu intersticiālo šūnu bioloģiju ir būtiska, lai noskaidrotu mehānismus, ar kuriem šīs šūnas mijiedarbojas savā starpā un ar savu vidi, lai šo funkciju varētu atkārtot mākslīgajos vārstos.

Saistībā ar daudzsološa sirds vārstuļu audu inženierijas virziena attīstību tiek veikti intersticiālo šūnu pētījumi, izmantojot plašu metožu klāstu. Šūnu citoskeleta klātbūtni apstiprina, iekrāsojot ar vimentīnu, desmīnu, troponīnu, alfa-aktīnu un gludo muskuļu miozīnu, alfa- un beta-miozīna smagajām ķēdēm, sirds miozīna vieglajām ķēdēm-2, alfa- un beta-tubulīnu. Šūnu kontraktilitāti apstiprina pozitīva reakcija uz adrenalīnu, angiotenzīnu II, bradikinīnu, karbaholu, kālija hlorīdu, endotēliju I. Šūnu savstarpējās attiecības nosaka funkcionālās spraugu mijiedarbības un apstiprina ar karboksifluoresceīna mikroinjekcijām. Matricas sekrēciju nosaka, iekrāsojot ar prolil-4-hidroksilāzi/II tipa kolagēnu, fibronektīnu, hondroitīna sulfātu, laminīnu. Inervāciju nosaka motoro nervu galu tuvs izvietojums, ko atspoguļo neiropeptīda Y tirozīna hidroksilāzes, acetilholīnesterāzes, vazoaktīvā zarnu polipeptīda, vielas-P, ar kapsikas gēnu saistītā peptīda aktivitāte. Mitogēnos faktorus novērtē, izmantojot trombocītu augšanas faktoru, bāzisko fibroblastu augšanas faktoru, serotonīnu (5-HT). Pētītajiem intersticiālo šūnu fibroblastiem raksturīga nepilnīga bazālā membrāna, gari, plāni citoplazmatiskie izaugumi, cieša saikne ar matricu, labi attīstīts nevienmērīgs endoplazmatiskais tīkls un Goldži aparāts, mikrofilamentu bagātība, adhezīvo saišu veidošanās.

Vārstuļu endokarda šūnas veido funkcionālu atrombogēnu apvalku ap katru sirds vārstuļu, līdzīgi kā asinsvadu endotēlijs. Plaši izmantotā vārstuļu aizvietošanas metode likvidē endokarda aizsargfunkciju, kas var izraisīt trombocītu un fibrīna nogulsnēšanos uz mākslīgajiem vārstiem, bakteriālas infekcijas attīstību un audu kalcifikāciju. Cita iespējamā šo šūnu funkcija ir pamatā esošo vārstuļu intersticiālo šūnu regulēšana, līdzīgi kā endotēlijs regulē gludās muskulatūras šūnas. Starp endotēliju un blakus esošajām šūnām pastāv sarežģīta mijiedarbība, ko daļēji mediē endotēlija šūnu izdalītie šķīstošie faktori. Šīs šūnas veido milzīgu virsmu, kas lūmena pusē pārklāta ar mikroizciļņiem, tādējādi palielinot iedarbību un iespējamo mijiedarbību ar vielmaiņas vielām cirkulējošajās asinīs.

Endotēlijam bieži piemīt morfoloģiskas un funkcionālas atšķirības, ko izraisa bīdes spriegumi uz asins plūsmas izraisītā asinsvada sieniņas, un tas attiecas arī uz vārstuļu endokarda šūnām, kurām ir vai nu iegarena, vai daudzstūra forma. Izmaiņas šūnu struktūrā var rasties lokālas hemodinamikas ietekmes uz šūnas citoskeleta komponentiem vai sekundāru efektu dēļ, ko izraisa izmaiņas pamatā esošajā ārpusšūnu matricē. Ultrastrukturālā līmenī vārstuļu endokarda šūnām ir starpšūnu savienojumi, plazmas pūslīši, raupjš endoplazmatiskais tīkls un Goldži aparāts. Lai gan tās ražo fon Vilebranda faktoru gan in vivo, gan in vitro, tām trūkst Veibela-Palade ķermenīšu (specifiskas granulas, kas satur fon Vilebranda faktoru), kas ir asinsvadu endotēlijam raksturīgas organellas. Vārstuļu endokarda šūnām raksturīgas spēcīgas savienojuma vietas, funkcionālas spraugu mijiedarbības un pārklājošas marginālās krokas.

Endokarda šūnas saglabā savu vielmaiņas aktivitāti pat in vitro: tās producē fon Vilebranda faktoru, prostaciklīnu, slāpekļa oksīda sintāzi, demonstrē angiotenzīnu konvertējošā enzīma aktivitāti un intensīvi sekretē adhēzijas molekulas ICAM-1 un ELAM-1, kurām ir svarīga nozīme saistīšanā ar mononukleārajām šūnām imūnās atbildes attīstības laikā. Visi šie marķieri jāņem vērā, audzējot ideālu šūnu kultūru mākslīgā vārstuļa izveidei, izmantojot audu inženieriju, taču pašu vārstuļu endokarda šūnu imunostimulējošais potenciāls var ierobežot to izmantošanu.

Sirds vārstuļu ārpusšūnu matrica sastāv no šķiedrainām kolagēna un elastīna makromolekulām, proteoglikāniem un glikoproteīniem. Kolagēns veido 60% no vārstuļa sausnas svara, elastīns - 10% un proteoglikāni - 20%. Kolagēna komponents nodrošina vārstuļa galveno mehānisko stabilitāti, un to pārstāv I (74%), II (24%) un V (2%) tipa kolagēni. Kolagēna pavedienu kūlīšus ieskauj elastīna apvalks, kas nodrošina mijiedarbību starp tiem. Proteoglikānu molekulu glikozaminoglikānu sānu ķēdes mēdz veidot želejveida vielu, kurā mijiedarbojas citas matricas molekulas, veidojot pastāvīgas saites, un nogulsnējas citas sastāvdaļas. Cilvēka sirds vārstuļu glikozaminoglikāni galvenokārt sastāv no hialuronskābes, mazākā mērā no dermatāna sulfāta, hondroitīna-4-sulfāta un hondroitīna-6-sulfāta, ar minimālu heparāna sulfāta daudzumu. Matricas audu remodelēšanu un atjaunošanos regulē matricas metaloproteināzes (MMP) un to audu inhibitori (TI). Šīs molekulas ir iesaistītas arī plašākā fizioloģisko un patoloģisko procesu klāstā. Dažas metaloproteināzes, tostarp intersticiālās kolagenāzes (MMP-1, MMP-13) un želatināzes (MMP-2, MMP-9) un to audu inhibitori (TI-1, TI-2, TI-3), ir atrodamas visos sirds vārstuļos. Pārmērīga metaloproteināžu ražošana ir raksturīga sirds vārstuļu patoloģiskiem stāvokļiem.

[ 6 ], [ 7 ], [ 8 ], [ 9 ], [ 10 ], [ 11 ], [ 12 ], [ 13 ], [ 14 ], [ 15 ], [ 16 ]

Sirds vārsti un to morfoloģiskā struktūra

Sirds vārsti sastāv no trim morfoloģiski atšķirīgiem un funkcionāli nozīmīgiem vārstuļu matricas slāņiem: šķiedru, porainā un ventrikulārā.

Šķiedru slānis veido slodzi izturīgu vārstuļu lapiņas karkasu, kas sastāv no kolagēna šķiedru slāņiem. Šīs šķiedras ir izvietotas radiāli krokās, lai artēriju vārsti varētu izstiepties, aizveroties. Šķiedru slānis atrodas netālu no šo vārstuļu izejas ārējās virsmas. Atrioventrikulāro vārstuļu šķiedru slānis kalpo kā cīpslu-cīpslu kolagēna saišķu turpinājums. Tas atrodas starp poraino (ieejas) un kambara (izejas) slāni.

Starp šķiedraino un ventrikulāro slāni atrodas porainais slānis (spongiosa). Porainais slānis sastāv no slikti organizētiem saistaudiem viskozā vidē. Šī slāņa dominējošie matricas komponenti ir proteoglikāni ar nejauši orientētu kolagēnu un plāniem elastīna slāņiem. Proteoglikānu molekulu sānu ķēdēm ir spēcīgs negatīvs lādiņš, kas ietekmē to augsto spēju saistīt ūdeni un veidot porainu matricas želeju. Matricas porainais slānis samazina mehānisko spriegumu sirds vārstuļu lapiņās un saglabā to elastību.

Kambaru slānis ir daudz plānāks nekā pārējie un ir bagāts ar elastīgām šķiedrām, kas ļauj audiem pretoties pastāvīgai deformācijai. Elastīnam ir poraina struktūra, kas ieskauj un savieno kolagēna šķiedras un uztur tās neitrālā, salocītā stāvoklī. Vārsta ieejas slānis (kambaru - artēriju vārstiem un porainais - atrioventrikulārajam) satur vairāk elastīna nekā izejas slānis, kas nodrošina hidrauliskā trieciena mīkstināšanu, kad cusps aizveras. Šī kolagēna un elastīna attiecība ļauj cusps izstiepties līdz pat 40% bez stabilas deformācijas. Pakļaujot nelielai slodzei, šī slāņa kolagēna struktūras ir orientētas slodzes virzienā, un tā pretestība turpmākai slodzes pieaugumam palielinās.

Tādējādi priekšstats par sirds vārstiem kā vienkāršām endokarda dublikātiem ir ne tikai vienkāršots, bet arī būtībā nepareizs. Sirds vārsti ir sarežģīti orgāni, kas ietver svītrotās muskuļu šķiedras, asins un limfvadus, kā arī nervu elementus. Gan pēc savas struktūras, gan funkcijas vārsti ir neatņemama visu sirds struktūru sastāvdaļa. Normālas vārstuļu funkcijas analīzē jāņem vērā to šūnu organizācija, kā arī šūnu mijiedarbība savā starpā un ar matricu. Šādos pētījumos iegūtās zināšanas ir vadošās vārstuļu protēžu projektēšanā un attīstībā, izmantojot audu inženieriju.