Dezellularisierte Aorten-Conduits und ihre Biokompatibilität

Zusammenfassung

Hintergrund

Um inhärente Limitationen klinischer Standardimplantate zu umgehen, stehen aktuell verschiedene Konzepte des „tissue engineering“ von Herzklappen- und Gefäßprothesen zur Diskussion.

Ziel der Arbeit

Zwecks komparativer Evaluation verschiedener Ansätze zur Prothesenoptimierung sollte ein Rattenmodell der systemarteriellen Implantation von Aorten-Conduits entwickelt und angewendet werden.

Material und Methoden

Kryopräservierte zelluläre oder auf Detergensbasis dezellularisierte, fibronektinbeschichtete oder unbeschichtete Ratten-Aorten-Conduits (n = 101) wurden infrarenal in hämodynamisch kompetente oder aortovalvulär insuffiziente Ratten implantiert, die in Abhängigkeit von dem jeweiligen Projekt reguläre Nahrung, prokalzifizierende Diät oder prokalzifizierende Diät mit zusätzlicher Simvastatinsupplementierung erhielten. Darüber hinaus wurde eine separate Studie zur Entwicklung und Charakterisierung des Modells der akzelerierten kardiovaskulären Kalzifizierung in Ratten unter 5 verschiedenen Spezialdiäten durchgeführt (n = 102). Die Funktionalität der Implantate wurde mithilfe von Dopplersonographie, Magnetresonanztomographie (MRT) und vaskulärer Plastinierung untersucht, während für die Gewebeanalyse der Explantate histologische, immunhistologische Untersuchungen, In-situ-Zymographie, quantitative „real-time polymerase chain reaction“ (RT-PCR) und Kalziumgehaltmessungen zu verschiedenen Zeitpunkten bis zu 12 Wochen nach Implantation eingesetzt wurden. Weiterhin wurden Mikro-Computertomographie(CT)- und Blutserumspiegelanalysen vorgenommen.

Ergebnisse

Die Modelle der funktionellen Aorten-Conduit-Implantation und der diätinduzierten akzelerierten kardiovaskulären Kalzifizierung wurden entwickelt, optimiert und standardisiert. Die Effekte verschiedener Diätregime sowohl auf das valvuläre als auch auf das vaskuläre „remodeling“ wurden unter Berücksichtigung chondroosteogen degenerativer, inflammatorischer und lipidmetabolischer Prozesse detailliert dargelegt. Die Conduit-Implantationsstudien zeigten folgende Resultate: a) Die Dezellularisierung der Aorten-Conduits verringerte Pannusbildung, Inflammation und kalzifizierende Degeneration signifikant, b) die bilaterale Oberflächenbeschichtung mit Fibronektin beschleunigte die autolog zelluläre In-vivo-Repopulation dezellularisierter Implantate signifikant, und c) die systemische Statintherapie ergab keine relevante Beeinflussung der Degeneration dezellularisierter Prothesen unter extrem prokalzifizierenden Bedingungen.

Schlussfolgerung

Eine Oberflächenbeschichtung dezellularisierter Prothesen mit bioaktiven Proteinen scheint geeignet zu sein, ihre Biokompatibilität zu erhöhen. Weiterführende Studien zur Optimierung der Biokompatibilität sowie zur Reduktion der In-vivo-Degeneration kardiovaskulärer Prothesen werden in dem standardisierten Kleintiermodell durchgeführt werden.

Abstract

Background

In order to circumvent inherent limitations of standard implants, various concepts of tissue engineering for heart valves and vessel prostheses are under discussion.

Aims

The present series of projects aimed at developing and applying a rat model of aortic conduit implantation into the systemic circulation to allow comparative evaluation of different approaches for optimization of cardiovascular grafts.

Material and methods

Cryopreserved cellular or decellularized, fibronectin-coated or uncoated rat aortic conduits (n = 101) were infrarenally implanted in hemodynamically competent or aortovalvular deficient rats, which were fed with regular, procalcific or procalcific diet with additional simvastatin supplementation, depending on the project. Moreover, a separate study was conducted to design and characterize a model of chow-induced accelerated cardiovascular calcification in rats (n = 102). The implant functionality was examined by means of Doppler sonography, magnetic resonance imaging (MRI) and vascular plastination, while tissue analysis was performed using histology, immunohistology, in situ zymography, quantitative real-time polymerase chain reaction (RT-PCR) and calcium content measurements at different explantation time points up to 12 weeks after implantation. Furthermore, microcomputed tomography (CT) and blood serum level analyses were conducted.

Results

The models of functional aortic conduit implantation and diet-induced accelerated cardiovascular calcification were developed, optimized and standardized. The effects of different diet regimens on valvular and vascular remodeling were systematically described taking into account chondro-osteogenic, degenerative, inflammatory and lipid metabolizing processes. The conduit implantation studies showed the following results: a) decellularization significantly reduced pannus formation, inflammation and calcifying degeneration of aortic conduits, b) bilateral fibronectin surface coating significantly accelerated autologous in vivo repopulation of decellularized implants and c) systemic statin treatment did not influence the degeneration of decellularized grafts under extremely procalcific conditions.

Conclusion

Surface coating of decellularized prostheses with bioactive proteins seems to be suitable to improve biocompatibility. Further studies on optimizing biocompatibility and reducing in vivo degeneration of cardiovascular grafts will be conducted in this standardized small animal model.