Модификация поливиниловым спиртом эпоксиобработанного ксеноперикарда повышает его резистентность к кальцификации in vitro

Актуальность. До половины имплантируемых реципиентам биологических протезов клапанов сердца подвержены развитию дисфункций через 15 лет функционирования. Основной причиной несостоятельности биологических протезов является структурная дегенерация, обусловленная кальцификацией створчатого аппарата. Таким образом, особую актуальность для увеличения долговечности биологических протезов приобретает защита биоматериала от кальцификации.
Цель. Разработать модификацию биоматериала поливиниловым спиртом для повышения резистентности биологических протезов к кальцификации.
Материал и методы. Фрагменты эпоксиобработанного бычьего перикарда инкубировали в водных растворах с разной концентрацией (5, 10, 12 и 15%) поливинилового спирта и подвергали криообработке для формирования геля. Поверхность модифицированного поливиниловым спиртом биоматериала изучали методом сканирующей электронной микроскопии, внутреннюю структуру – посредством флуоресцентной микроскопии и методом сканирующей электронной микроскопии. Механические свойства модифицированного поливиниловым спиртом ксеноперикарда оценивали одноосным растяжением. Для оценки гемосовместимых свойств определяли степень гемолиза, агрегации и адгезии тромбоцитов после контакта донорской крови с образцами. Резистентность модифицированного поливиниловым спиртом биоматериала к кальцификации оценивали путем инкубации образцов в насыщенном ионами кальция (10 ммоль) и фосфат-ионами растворе в течение 3 и 6 недель с последующим количественным определением содержания кальция в биоткани спектрофотометрическим методом. В качестве группы контроля при проведении вышеперечисленных тестов использовали немодифицированный эпоксиобработанный бычий перикард.
Результаты. При модификации эпоксиобработанного ксеноперикарда поливиниловым спиртом получен композитный материал, представляющий собой матрицу коллагеновых волокон, заполненную гелем. Оптимальный результат, подразумевающий полное закрытие гелем пор на поверхности ксеноперикарда и равномерное заполнение межфибриллярного пространства в его толще, достигнут при использовании 12% раствора поливинилового спирта. Модификация не ухудшила механические и гемосовместимые свойства эпоксиобработанного ксеноперикарда. После 3 и 6 недель инкубации в насыщенном кальцием растворе модифицированные поливиниловым спиртом образцы содержали соответственно в 5 и 3 раза меньше кальция по сравнению с образцами в контрольной группе.
Выводы.Предложенный способ обработки ксеноперикарда поливиниловым спиртом повышает его устойчивость к кальцификации и может быть взят за основу при разработке новой модификации биологического компонента биологических протезов.

1. Coffey S, Roberts-Thomson R, Brown A, Carapetis J, Chen M, EnriquezSarano M, et al. Global epidemiology of valvular heart disease. Nat Rev Cardiol. 2021;18(12):853–864. PMID: 34172950 https://doi.org/10.1038/s41569-021-00570-z

2. Otto CM, Nishimura RA, Bonow RO, Carabello BA, Erwin JP, Gentile F, 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. PMID: 33332149 https://doi.org/10.1161/CIR.0000000000000923

3. Head SJ, Çelik M, Kappetein AP. Mechanical versus bioprosthetic aortic valve replacement. Eur Heart J. 2017;38(28):2183–2191. PMID: 28444168 https://doi.org/10.1093/eurheartj/ehx141

4. Dvir D, Bourguignon T, Otto CM, Hahn RT, Rosenhek R, Webb JG, et al. Standardized definition of structural valve degeneration for surgical and transcatheter bioprosthetic aortic valves. Circulation. 2018;137(4):388–399. PMID: 29358344 https://doi.org/10.1161/CIRCULATIONAHA.117.030729

5. Pibarot P, Dumesnil JG. Prosthetic heart valves: selection of the optimal prosthesis and long-term management. Circulation. 2009;119(7):1034–1048. PMID: 19237674 https://doi.org/10.1161/CIRCULATIONAHA.108.778886

6. Marro M, Kossar AP, Xue Y, Frasca A, Levy RJ, Ferrari G. Noncalcific mechanisms of bioprosthetic structural valve degeneration. J Am Heart Assoc. 2021;10(3):e018921. PMID: 33494616 https://doi.org/10.1161/JAHA.120.018921

7. Ding K, Zheng C, Huang X, Zhang S, Li M, Lei Y, et al. A PEGylation method of fabricating bioprosthetic heart valves based on glutaraldehyde and 2-amino-4-pentenoic acid co-crosslinking with improved antithrombogenicity and cytocompatibility. Acta Biomater. 2022;144:279–291. PMID: 35365404 https://doi.org/10.1016/j.actbio.2022.03.026

8. Barbarash L, Rutkovskaya N, Barbarash O, Odarenko Y, Stasev A, Uchasova E. Prosthetic heart valve selection in women of childbearing age with acquired heart disease: a case report. J Med Case Rep. 2016;10:51. PMID: 26956734 https://doi.org/10.1186/s13256-016-0821-y

9. Barrett DA, Hartshome MS, Hussain MA, Shaw PN, Davies MC. Resistance to nonspecific protein adsorption by poly (vinyl alcohol) thin films adsorbed to a poly(styrene) support matrix studied using surface plasmon resonance. Anal Chem. 2001;73(21):5232–5239. PMID: 11721924 https://doi.org/10.1021/ac010368u

10. Jiang S, Liu S, Feng W. PVA hydrogel properties for biomedical application. J Mech Behav Biomed Mater. 2011;4(7):1228–1233. PMID: 21783131 https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2011.04.005

11. Hassan CM, Peppas NA. Structure and applications of poly(vinyl alcohol) hydrogels produced by conventional crosslinking or by freezing/thawing methods. Adv Polym Sci. 2000;153:37-65. https://doi.org/10.1007/3-540-46414-X_2

12. Kostyunin AE, Yuzhalin AE, Rezvova MA, Ovcharenko EA, Glushkova TV, Kutikhin AG. Degeneration of bioprosthetic heart valves: update 2020. J Am Heart Assoc. 2020;9(19):e018506. PMID: 32954917 https://doi.org/10.1161/JAHA.120.018506

13. Shetty R, Pibarot P, Audet A, Janvier R, Dagenais F, Perron J, et al. Lipidmediated inflammation and degeneration of bioprosthetic heart valves. Eur J Clin Invest. 2009;39(6):471-480. PMID: 19490057 https://doi.org/10.1111/j.1365-2362.2009.02132.x

14. Simionescu A, Simionescu DT, Deac RF. Matrix metalloproteinases in the pathology of natural and bioprosthetic cardiac valves. Cardiovasc Pathol. 1996;5(6):323–332. PMID: 25851789 https://doi.org/10.1016/s1054-8807(96)00043-9

15. Srivatsa SS, Harrity PJ, Maercklein PB, Kleppe L, Veinot J, Edwards WD, et al. Increased cellular expression of matrix proteins that regulate mineralization is associated with calcification of native human and porcine xenograft bioprosthetic heart valves. J Clin Invest. 1997;99(5):996–1009. PMID: 9062358 https://doi.org/10.1172/JCI119265