Имплантация универсального самораскрывающегося аортального биопротеза для малоинвазивной (транскатетерной и бесшовной) имплантации в трехмерную модель корня аорты

• Богачев-Прокофьев А.В.
• Залесов А.С.
• Шарифулин Р.М.
• Владимиров С.В.
• Афанасьев А.В.
• Цароев Б.С.
• Исломов А.А.
• Чернявский А.М.

Резюме

Цель исследования - оценка in vitro первого отечественного универсального транскатетерного биопротеза для протезирования аортального клапана на 3D-модели корня аорты.

Материал и методы. В эксперименте in vitro проведена имплантация опытного образца транскатетерного аортального биопротеза на самораскрывающемся нитиноловом каркасе в позицию аортального клапана силиконовой 3D-модели корня аорты, изготовленной по данным мультиспиральной компьютерной томографии пациента с выраженным дегенеративным аортальным стенозом.

Результаты. Выявлены адекватная ориентация желудочковых и аортальных элементов биопротеза, надежный круговой охват и прилегание аннулярной части каркаса, обеспечивающие стабильную фиксацию протеза в аортальной позиции искусственного корня аорты.

Заключение. Опытный образец первого отечественного транскатетерного универсального аортального биопротеза продемонстрировал эффективность при имплантации в позицию аортального клапана 3D-модели корня аорты. 

Ключевые слова:аортальный клапан; бесшовный аортальный протез; транскатетерное протезирование аортального клапана; TAVI

Распространенность аортального стеноза среди людей старше 75 лет варьирует от 2 до 4% [1]. Открытое или транскатетерное протезирование аортального клапана (АоК) является самым частым изолированным вмешательством в кардиохирургических центрах [2].

В актуальных клинических руководствах симптомным пациентам с тяжелым аортальным стенозом рекомендовано выполнять протезирование АоК, асимптомным пациентам - при снижении фракции выброса левого желудочка менее <50% (класс рекомендаций I, уровень доказательности B) [3-4]. Появление транскатетерной имплантации аортального клапана (TAVI - Transcatheter Aortic Valve Implantation) и разработка бесшовных протезов ознаменовали смену парадигмы лечения пациентов с тяжелым аортальным стенозом [5-6]. Многочисленные исследования указывают на клиническое превосходство малоинвазивных технологий по сравнению с медикаментозной терапией для пациентов с критическим аортальным стенозом, неоперабельными ввиду высокого хирургического риска открытой операции [7-8].

Отечественная разработка малоинвазивных технологий для протезирования АоК является актуальной задачей для здравоохранения Российской Федерации. Целью настоящего исследования явилась оценка in vitro опытного образца отечественного транскатетерного аортального биопротеза для малоинвазивной имплантации на силиконовой 3D-модели сердца, сконструированной по данным мультиспиральной компьютерной томографии (МСКТ-ангиографии) пациента с выраженным дегенеративным аортальным стенозом.

Материал и методы

На базе Института экспериментальной биологии и медицины совместно с научно-исследовательским отделом новых хирургических технологий ФГБУ "НМИЦ им. ак. Е.Н. Мешалкина" Минздрава России коллективом ученых на основании 3D-моделей корня аорты был разработан концепт самораскрывающегося универсального транскатетерного аортального биопротеза (рис. 1, А-Г). Разработанный каркас биопротеза, изготовленный из медицинского никилида титана, включает проксимальную, среднюю и дистальные зоны фиксации. Проксимальная зона имеет пространственную форму усеченного конуса и сетчатую структуру. Она предназначена для закрепления в выходном тракте левого желудочка. Средняя зона является верхним основанием усеченного конуса, ячейки которой сопряжены с ячейками каркаса манжеты, отклоненными наружу относительно центральной оси биопротеза.

Особенностью данного протеза является дистальная зона крепления, которая расположена в синусах Вальсальвы, в отличие от аналогов, где зоной крепления является восходящий отдел аорты. В связи с этим такой биологический протез может быть имплантирован как транскатетерно, так и бесшовно во время открытой операции. Система доставки для транскатетерного доступа имеет диаметр 18 Fr. Механизм якорения в усредненной анатомической модели корня аорты осуществляется за счет плотного прилегания плавно расширяющейся "юбки" протеза к выводному отделу левого желудочка и расширяющихся "крыльев" каркаса в синусах Вальсальвы, при этом "крылья" не перекрывают устья коронарных артерий (рис. 2).

Для создания силиконового фантома корня аорты были отобраны реальные пациенты 83 лет с хронической сердечной недостаточностью III функционального класса по NYHA (Нью-Йоркская кардиологическая ассоциация). По данным эхокардиографии у пациентов был выраженный дегенеративный стеноз АоК с высокими трансклапанными градиентами (пиковый/средний градиенты - 71/46 мм рт.ст., Vsist = 4,23 м/с, площадь отверстия - 0,6 см²) при промежуточной фракции выброса левого желудочка 43%. Анатомическая 3D-модель корня аорты с выходным отделом левого желудочка была получена из DICOM-изображений компьютерной томографии (рис. 3) в специализированном программном обеспечении Materialise Mimics (Materialise NV, Бельгия).

3D-печать осуществлялась на SLA 3D-принтере Formlabs Form 3B+ из фотополимера Elastic 50A (Formlabs inc. США). Модели, изготовленные из данного полимера, имеют физико-механические свойства, близкие к натуральному силикону (твердость по Шору 50А, прозрачность). Высота слоя печати составляла 100 мкм (рис. 4).

Для оценки прочности фиксации и адекватности работы биопротеза проведены стендовые испытания с имитацией сердечных сокращений.

Результаты

В процесс эксперимента опытный универсальный биопротез АоК легко упаковывается в систему доставки, без видимых деформаций нитиноловых элементов каркаса и повреждения створчатого аппарата (рис. 5).

При использовании универсального транскатетерного аортального биопротеза достигнута его прочная фиксация в позиции корня аорты силиконовой 3D-модели. Визуальный контроль позиционирования клапана показал, что имплантированный биопротез имеет адекватное расположение относительно внутрисердечных структур и стенки аорты: комиссуры биопротеза расположены строго по ориентирам комиссур модели корня аорты, створки биопротеза не закрывают устья коронарных артерий модели корня аорты, манжета биопротеза плотно прилежит к фиброзному кольцу АоК, каркасная "юбка" из нитинола плотно фиксируется к фиброзному кольца со стороны желудочка, не создавая препятствия выходному тракту и не прижимая проекцию проводящих путей сердца (рис. 6).

 

Обсуждение

Дегенеративные пороки АоК представляют собой наиболее распространенное клапанное заболевание сердца [10]. С увеличением возраста наблюдается тенденция распространенности как склероза, так и стеноза АоК. В частности, склероз АоК без значимых гемодинамических нарушений наблюдается у четверти взрослых, в то время как аортальный стеноз присутствует у 2-9% населения старше 65 лет [11].

В связи с этим актуальной проблемой современной биоинженерии и кардиохирургии является создание протезов клапанов сердца для имплантации минимально инвазивным способом, в особенности для возрастной когорты людей с высоким хирургическим риском. В ряде исследований отражены значимые преимущества испытаний транскатетерных клапанов in vitro на силиконовых 3D-моделях корней аорты перед доклиническими исследованиями in vivo на животных, что помогает повысить полноту реального клинического применения и уменьшить количество осложнений, включая структурное разрушение клапана, субклинический тромбоз, параклапанную регургитацию, имплантацию постоянного кардиостимулятора, миграцию клапана, коронарную обструкцию. Несмотря на это, стоит помнить, что механические свойства силиконовой модели, такие как толщина, жесткость, податливость и растяжимость стенок аорты и клапана, не воспроизводятся с точностью. Силиконовая модель не обладает реальной эластичностью, которая изменяет диаметр аорты во время систолы и диастолы, а жесткость и гибкость не имитируют настоящее утолщение и кальцификацию тканей [12-15].

Малоинвазивные вмешательства экономически эффективнее для здравоохранения в целом, лечебного учреждения и самого пациента, так как требуют меньше затрат на обеспечение расходными материалами и медикаментами, позволяют ускорить и улучшить послеоперационную реабилитацию. Стандартное протезирование АоК является опцией для более молодых пациентов с низким операционным риском (младше 75 лет и с показателями STS PROM/EuroSCORE II <4%) [16]. В мире накоплен большой опыт использования транскатетерных и бесшовных протезов АоК. Ранние и отдаленные результаты таких операций не уступают стандартным хирургическим, а по некоторым показателям и превосходят последние. Процедура TAVI рекомендуется возрастной группе пациентов с высоким хирургическим риском (старше 75 лет и с показателями STS PROM/EuroSCORE II >8%) [17]. Несмотря на это, выбор между открытым и транскатетерным протезированием АоК должен основываться на тщательной оценке клинических и анатомических факторов мультидисциплинарной командой врачей, которые взвешивают риски и преимущества каждого подхода для конкретного пациента.

Существуют клинические и анатомические ситуации, когда выполнение процедуры TAVI невозможно либо затруднительно (значимый атеросклероз бедренных сосудов, недостаточный размер фиброзного кольца АоК, двустворчатый АоК, низкое расположение устьев коронарных артерий или выраженный кальциноз корня аорты и створок АоК, тромбоз левого желудочка или аорты). В связи с этим группе пациентов с высоким хирургическим риском может быть отказано в оперативном лечении.

В таких клинических случаях альтернативным решением проблемы могут послужить бесшовные биологические протезы. Во-первых, протезы с бесшовной имплантацией АоК отлично показывают свой потенциал в минимально инвазивной хирургии через частичную стернотомию или правую переднебоковую торакотомию. Малоинвазивный подход обеспечивает меньшую хирургическую травму, меньший болевой синдром и быстрый период восстановления, что особенно важно у возрастной когорты пациентов. Во-вторых, при малоинвазивном вмешательстве существует возможность иссечения пораженных створок АоК, что важно при выраженном кальцинозе, узком фиброзном кольце или после перенесенного инфекционного эндокардита. В-третьих, опция протезирования АоК с использованием бесшовных биопротезов оптимальна при двустворчатом аортальном клапане по сравнению с транскатетерными технологиями.

На основании вышеизложенного нам представляется перспективной концепция созданного универсального аортального биопротеза АоК, который можно имплантировать как транскатетерным, так и бесшовным методом. Данный эксперимент продемонстрировал эффективность имплантации универсального транскатетерного биологического протеза, позицию АоК силиконового корня аорты, полностью идентичного по параметрам человеческому корню аорты с дегенеративным аортальным стенозом. В качестве материала использован прозрачный силикон, благодаря чему нам удалось имплантировать опытный образец под визуальным контролем, а пластические свойства материала позволили провести стендовое испытание биопротеза. Выявлены адекватная ориентация желудочковых и аортальных элементов каркаса, надежный круговой охват и прилегание аннулярной части каркаса, обеспечивающие стабильное крепление всей конструкции, полноценное функционирование створок биопротеза во все фазы сердечного цикла, отсутствие парапротезной регургитации. Осесимметричный каркас позволяет упростить процесс кримпирования и упаковки в систему доставки.

Заключение

В заключение стоит отметить, что испытание на силиконовой модели является необходимым этапом доклинического исследования медицинских устройств, позволяющим получить ценную информацию перед опытами на животных. В ходе проведенного эксперимента опытный образец первого отечественного универсального биопротеза АоК продемонстрировал эффективность при имплантации на силиконовой модели корня аорты.

Литература/References

1.     Van Hemelrijck M., Taramasso M., De Carlo C., Kuwata S., Regar E., Nietlispach F., et al. Recent advances in understanding and managing aortic stenosis. F1000Res. 2018; 7: 58. DOI: https://doi.org/10.12688/f1000research.11906.1

2.     Iung B., Delgado V., Rosenhek R., Price S., Prendergast B., Wendler O., et al.; EORP VHD II Investigators. Contemporary presentation and management of valvular heart disease: the EURObservational Research Programme Valvular Heart Disease II Survey. Circulation 2019; 140: 1156-69.

3.     Dahl J.S., Eleid M.F., Michelena H.I., Scott C.G., Suri R.M., et al. Effect of left ventricular ejection fraction on postoperative outcome in patients with severe aortic stenosis undergoing aortic valve replacement. Circ Cardiovasc Imaging. 2015; 8: e002917.

4.     Taniguchi T., Morimoto T., Shiomi H., Ando K., Kanamori N., Murata K., et al.; CURRENT AS Registry Investigators. Prognostic impact of left ventricular ejection fraction in patients with severe aortic stenosis. JACC Cardiovasc Interv. 2018; 11: 145-7.

5.     Leon M.B., Smith C.R., Mack M., Miller D.C., Moses J.W., Svensson L.G., et al.; PARTNER Trial Investigators. Transcatheter aortic-valve implantation for aortic stenosis in patients who cannot undergo surgery. N Engl J Med. 2010; 363 (17): 1597-607. DOI: https://doi.org/10.1056/NEJMoa1008232

6.     Smith C.R., Leon M.B., Mack M.J., Miller D.C., Moses J.W., Svensson L.G., et al.; PARTNER Trial Investigators. Transcatheter versus surgical aortic-valve replacement in high-risk patients. N Engl J Med. 2011; 364 (23): 2187-98. DOI: https://doi.org/10.1056/NEJMoa1103510

7.     Adams D.H., Popma J.J., Reardon M.J., Yakubov S.J., Coselli J.S., Deeb G.M., et al.; U.S. CoreValve Clinical Investigators. Transcatheter aortic-valve replacement with a self-expanding prosthesis. N Engl J Med. 2014; 370 (19): 1790-8. DOI: https://doi.org/10.1056/NEJMoa1400590

8.     Thyregod H.G., Steinbrüchel D.A., Ihlemann N., Nissen H., Kjeldsen B.J., Petursson P., et al. Transcatheter versus surgical aortic valve replacement in patients with severe aortic valve stenosis: 1-year results from the all-comers NOTION randomized clinical trial. J Am Coll Cardiol. 2015; 65 (20): 2184-94. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jacc.2015.03.014 Epub 2015 Mar 15.

9.     Faggiano P., Antonini-Canterin F., Baldessin F., Lorusso R., D’Aloia A., Cas L.D. Epidemiology and cardiovascular risk factors of aortic stenosis. Cardiovasc Ultrasound. 2006; 4: 27. DOI: https://doi.org/10.1186/1476-7120-4-27  

10. Go A.S., Mozaffarian D., Roger V.L., Benjamin E.J., Berry J.D., Borden W.B., et al.; American Heart Association Statistics Committee and Stroke Statistics Subcommittee. Heart disease and stroke statistics--2013 update: a report from the American Heart Association. Circulation. 2013; 127 (1): e6-245. DOI: https://doi.org/10.1161/CIR.0b013e31828124ad Epub 2012 Dec 12.

11. Thaden J.J., Nkomo V.T., Enriquez-Sarano M. The global burden of aortic stenosis. Prog Cardiovasc Dis. 2014; 56 (6): 565-71. DOI: https://doi.org/10.1016/j.pcad.2014.02.006  

12. Ahn C.B., Lee S.I., Choi C.H., Park C.H., Park K.Y., Lee J.W., et al. Feasibility of a 3D printed patient-specific model system to determine hemodynamic energy delivery during extracorporeal circulation. ASAIO J. 2018; 64 (3): 309-17. DOI: https://doi.org/10.1097/MAT.0000000000000638

13. Giannopoulos A.A., Steigner M.L., George E., Barile M., Hunsaker A.R., Rybicki F.J., et al. Cardiothoracic applications of 3-dimensional printing. J Thorac Imaging. 2016; 31 (5): 253-72. DOI: https://doi.org/10.1097/RTI.0000000000000217

14. Lim H.G., Jeong S., Kim G.B., Lee W., Son K.H., Kim Y.J. Next-generation transcatheter aortic valve implantation. JTCVS Open. 2020; 3: 14-24. DOI: https://doi.org/10.1016/j.xjon.2020.06.008 PMID: 36003870; PMCID: PMC9390526.

15. Farooqi K.M., Mahmood F. Innovations in Preoperative Planning: Insights into Another Dimension Using 3D Printing for Cardiac Disease. J Cardiothorac Vasc Anesth. 2018; 32 (4): 1937-1945. DOI: 10.1053/j.jvca.2017.11.037 

16. Thourani V.H., Suri R.M., Gunter R.L., Sheng S., O’Brien S.M., Ailawadi G., et al. Contemporary real-world outcomes of surgical aortic valve replacement in 141,905 low-risk, intermediate-risk, and high-risk patients. Ann Thorac Surg. 2015; 99 (1): 55-61.

17. Gleason T.G., Reardon M.J., Popma J.J., Deeb G.M., Yakubov S.J., Lee J.S., et al.; CoreValve US Pivotal High Risk Trial Clinical Investigators. 5-year outcomes of self-expanding transcatheter versus surgical aortic valve replacement in high-risk patients. J Am Coll Cardiol. 2018; 72 (22): 2687-96.