دانشمندان مکانیسمی را کشف کرده‌اند که طول عمر دریچه‌های قلب را تضمین می‌کند

به گزارش مجله خبری نگار، دریچه‌های قلب ده‌ها میلیون بار در سال باز و بسته می‌شوند و قدرت خود را برای دهه‌ها حفظ می‌کنند. یکی از مکانیسم‌هایی که از آنها محافظت می‌کند، ممکن است تنشی باشد که در طول فعالیت قلبی بر بافت وارد می‌شود: تحت توزیع بار‌های خاص، کلاژن در برابر آنزیم‌هایی که آن را تجزیه می‌کنند، کمتر آسیب‌پذیر می‌شود. ایزوستیا بررسی می‌کند که چگونه حرکت به حفظ ساختار دریچه کمک می‌کند، چرا این محافظت می‌تواند در بیماری به خطر بیفتد و این کشف چه معنایی برای توسعه دریچه‌های مصنوعی دارد.

میلیون‌ها حرکت بدون توقف

قلب چهار دریچه دارد که جریان خون را در جهت دلخواه تضمین می‌کنند. لت‌های آنها برای عبور جریان خون باز می‌شوند و برای جلوگیری از برگشت آن بسته می‌شوند. دریچه آئورت بین بطن چپ و آئورت، بزرگترین شریانی که خون را به گردش خون سیستمیک منتقل می‌کند، قرار دارد.

حتی با ضربان قلب فرضی ۷۰ ضربه در دقیقه، تقریباً ۳۷ میلیون چرخه قلبی در سال وجود دارد. این یک مثال محاسبه شده است که مقیاس کار را نشان می‌دهد: بافت نازک باید بار‌ها و بار‌ها تغییر شکل دهد، در برابر فشار مقاومت کند و همچنان محکم بسته شود.

کلاژن تا حد زیادی مسئول استحکام دریچه‌ها است. با این حال، محیط بیولوژیکی حاوی آنزیم‌هایی است که قادر به تجزیه آن هستند - کلاژنازها.

شادو هوانگ، نویسنده اول مقاله و دانشیار مهندسی مکانیک و هوافضا در دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی، خاطرنشان کرد: «کلاژن نقش حیاتی در حفظ استحکام دریچه‌های قلب دارد و کاسپ‌های آنها میلیون‌ها بار در سال باز و بسته می‌شوند. همچنین مشخص است که مایع اطراف قلب حاوی کلاژناز‌هایی است که می‌توانند این کلاژن را تجزیه کنند. با این حال، کاسپ‌ها برای دهه‌ها قوی می‌مانند.»

به گفته او، محققان به وضعیت معکوس نیز علاقه‌مند بودند: در بیماری قلبی، یکپارچگی لت‌های دریچه می‌تواند به طور قابل توجهی سریع‌تر از بین برود. دانشمندان تلاش کردند تا نقش مکانیک بافت را در این تفاوت درک کنند.

قدرت نه تنها به ترکیب بستگی دارد

نویسندگان نتایج تحقیقات کلاژن را در سطوح مختلف - از مولکول‌های منفرد گرفته تا بافت تاندون و لت‌های دریچه قلب - ترکیب می‌کنند. آزمایش‌های آزمایشگاهی با بافت دریچه خوک بخش مهمی از استدلال آنها را تشکیل می‌دهد.

کلاژن موجود در یک دریچه‌ی زنده را نمی‌توان یک چارچوب سفت و سخت در نظر گرفت که یک بار تشکیل شده و سپس به تدریج فرسوده می‌شود. بافت، ساختار خود را حفظ و تجدید می‌کند. در یکی از مطالعات تجربی که زیربنای این خط تحقیقاتی است، نویسندگان تعادل بین حذف کلاژن آسیب‌دیده و سنتز کلاژن جدید را شرح می‌دهند.

دانشمندان تأثیر التهاب روده بر عملکرد قلب را کشف کرده‌اند

بنابراین، صرف وجود آنزیم‌های تخریب‌کننده، نشان‌دهنده‌ی آسیب‌شناسی نیست. آنچه مهم است این است که فیبر‌ها با چه سرعتی تخریب می‌شوند و آیا ساختار لازم برای عملکرد طبیعی دریچه حفظ می‌شود یا خیر.

یک پیچیدگی دیگر در ساختار بافت نهفته است: فیبر‌ها در جهات مختلف چیده شده‌اند، هنگام کشش می‌چرخند و به طور ناهموار فعال می‌شوند. تغییر در شکل کل برگچه به این معنی نیست که هر مولکول کلاژن بار یکسانی را تجربه می‌کند.

به همین دلیل است که خواص مکانیکی را نمی‌توان به یک شاخص استحکام واحد تقلیل داد. برای ارزیابی مقاومت آنزیمی، توجه به نحوه کشش پارچه و نحوه انتقال نیرو در داخل آن مهم است.

مشخص شد که جهت حرکت مهم‌تر از صرفاً افزایش بار است

در آزمایش‌هایی که توسط دانشگاه شرح داده شده است، محققان میزان کشش دریچه‌ها را تغییر دادند، بافت را در جهات مختلف کشیدند و غلظت کلاژناز را تغییر دادند. پس از آن، ریزساختار نمونه‌ها ارزیابی شد تا مشخص شود که آیا حفظ شده است یا نشانه‌هایی از آسیب ظاهر شده است.

دو رژیم اساساً متفاوت با هم مقایسه شدند. در یکی، کشش در دو جهت نابرابر بود و نسبت مشخصه عملکرد بافت فیزیولوژیکی را حفظ می‌کرد. در دیگری، نمونه‌ها به طور مساوی در امتداد هر دو محور کشیده شدند.

این رویکرد به ما اجازه داد تا نه تنها اثر مقدار کرنش، بلکه توزیع آن را نیز آزمایش کنیم. دو نمونه ممکن است تحت کشش قرار گیرند، اما وضعیت شبکه کلاژن درون آنها متفاوت خواهد بود.

محققان ضمن حفظ نسبت‌های فشار فیزیولوژیکی، محافظت از کلاژن را مشاهده کردند. این محافظت تحت شرایط آزمایش‌شده، هم با افزایش کشش و هم در غلظت‌های بالاتر آنزیم، حفظ شد. هنگامی که نسبت تغییر کرد، کلاژن در هر دو سطح کلاژناز آزمایش‌شده تخریب شد.

هوانگ توضیح داد: «ما دریافتیم که افزایش کشش، حتی با سطوح بالاتر کلاژناز، به کلاژن آسیب نمی‌رساند، مشروط بر اینکه نسبت کشش طولی به عرضی ثابت بماند. وقتی این نسبت را تغییر دادیم، کلاژن صرف نظر از سطوح کلاژناز تخریب شد.»

این مشاهده نشان می‌دهد که چرا مقدار آنزیم به تنهایی نتایج را توضیح نمی‌دهد. در شرایط آزمایش‌شده، حساسیت بافت به عملکرد آن به نحوه کشش آن نیز بستگی داشت.

چگونه تنش می‌تواند دسترسی آنزیم را مسدود کند

برای توضیح این اثر، نویسندگان مکانیسم تثبیت کلاژن توسط کشش را در نظر می‌گیرند. طبق این مدل، کشش، پیکربندی فضایی مارپیچ سه‌گانه کلاژن را تغییر می‌دهد و ممکن است دسترسی به محل تخریب آنزیمی را کمتر کند.

به عبارت دیگر، ترکیب شیمیایی یک پروتئین لزوماً برای تغییر پایداری آن تغییر نمی‌کند. شکل مولکول تحت بار نیز مهم است. در سطح بافت، این اثر با چیدمان و حرکت الیاف پیچیده می‌شود. همان فشار خارجی می‌تواند به طور متفاوتی به عناصر منفرد شبکه کلاژن منتقل شود. بنابراین، جهت کشش بخشی از محافظت می‌شود.

اثر مشابهی قبلاً در بافت تاندون غنی از کلاژن مورد مطالعه قرار گرفته بود. با این حال، در چنین آزمایش‌هایی، بافت معمولاً در یک جهت کشیده می‌شد. لت‌های دریچه تحت شرایط پیچیده‌تری عمل می‌کنند: آنها به طور همزمان در چندین جهت تغییر شکل می‌دهند.

این محقق گفت: «مطالعات قبلی این مکانیسم محافظتی را در بافت تاندون غنی از کلاژن شناسایی کرده‌اند، اما این بافت فقط در یک جهت کشیده شده بود. لت‌های دریچه قلب هر بار که باز و بسته می‌شوند، در بیش از یک جهت دچار تغییر شکل می‌شوند، بنابراین این نتیجه یک گام به جلو است.»

چرا قوی‌تر بودن به معنای بهتر بودن نیست؟

این اثر محافظتی دلیلی برای این باور که هرگونه افزایش بار مفید است، فراهم نمی‌کند. در این بررسی، نویسندگان رابطه پیچیده‌تری را توصیف می‌کنند: با استرس فیزیولوژیکی متوسط، مقاومت کلاژن در برابر آنزیم‌ها افزایش می‌یابد، در حالی که با اضافه بار پاتولوژیک، تخریب می‌تواند دوباره تسریع شود.

برای توضیح از یک نمودار V شکل استفاده شده است. این نمودار نتایج آزمایش‌های مختلف را خلاصه می‌کند و یک منحنی واحد نیست که مستقیماً برای همه شیر‌ها و همه شرایط اندازه‌گیری شده باشد.

علاوه بر این، نتایج کشش آزمایشگاهی اجازه تجویز فعالیت بدنی یا تعیین ضربان قلب ایمن را نمی‌دهد. این مطالعه تغییر شکل بافت و تعامل آن با آنزیم‌ها را بررسی کرد، نه تأثیر ورزش بر طول عمر دریچه.

به گفته نویسندگان، اختلال در توزیع طبیعی تغییر شکل‌ها به توضیح این موضوع کمک می‌کند که چرا دریچه‌ها در برخی بیماری‌ها سریع‌تر شروع به تخریب می‌کنند. تغییرات در شرایط مکانیکی می‌تواند کلاژن را از محافظتی که در طول عملکرد طبیعی بافت حفظ می‌کند، محروم کند.

این نشان دهنده یک توالی احتمالی از وقایع است: عملکرد تغییر یافته دریچه، فشار وارد بر ساختار آن را تغییر می‌دهد و افزایش آسیب‌پذیری کلاژن به آسیب بیشتر کمک می‌کند. این توضیح مکانیکی نیاز به آزمایش در بیماری‌های خاص دارد.

تظاهرات بالینی اختلال عملکرد دریچه متفاوت است. همانطور که موسسه ملی قلب، ریه و خون ایالات متحده توضیح می‌دهد، تنگی دریچه باعث تنگ شدن دریچه و انسداد جریان خون می‌شود، در حالی که نارسایی باعث می‌شود مقداری از جریان خون به دلیل بسته شدن ناقص، به عقب برگردد. علل می‌توانند مادرزادی یا اکتسابی باشند، از جمله عوامل مرتبط با سن و عفونت.

بنابراین، محافظت مکانیکی کلاژن همه بیماری‌های دریچه قلب را توضیح نمی‌دهد. این مطالعه فرآیندی را برجسته می‌کند که ممکن است تغییرات بار را به آسیب بافتی مرتبط کند.

هوانگ خاطرنشان کرد: «یافته‌های ما همچنین به توضیح این موضوع کمک می‌کند که چرا وقتی بیماری قلبی تغییر شکلی را که برگچه‌ها تجربه می‌کنند تغییر می‌دهد، این برگچه‌ها به سرعت رو به زوال می‌روند: آنها این مکانیسم محافظتی بیومکانیکی را از دست می‌دهند.»

این چه چیزی می‌تواند به طراحان پروتز بیاموزد؟

پتانسیل عملی این کار حول توسعه موادی برای جایگزینی دریچه قلب می‌چرخد. چنین جایگزینی‌هایی زمانی ضروری هستند که دریچه آسیب‌دیده قابل ترمیم نباشد. پروتز‌های موجود به روش‌های مختلفی به این مشکل می‌پردازند. دریچه‌های مکانیکی از مواد مصنوعی بادوام ساخته شده‌اند. آنها معمولاً از دریچه‌های بیولوژیکی بادوام‌تر هستند، اما به درمان ضد انعقاد مادام‌العمر نیاز دارند. دریچه‌های بیولوژیکی از بافت حیوانات و گاهی اوقات با عناصر مصنوعی ساخته می‌شوند. دوام آنها محدود است و در نهایت ممکن است تعویض مکرر آنها ضروری باشد.

برای توسعه مواد بافتی جدید، نتایج به یک الزام اضافی اشاره دارند: مهم است که نه تنها شکل دریچه، بلکه ویژگی‌های تغییر شکل آن نیز بازسازی شود. این ماده باید به گونه‌ای باز و بسته شود که مقاومت ساختار کلاژن در برابر تخریب را حفظ کند.

دانشمندان از ارتباط بین حبوبات و سلامت قلب و متابولیسم خبر داده‌اند

این بررسی همچنین پیش‌شرط‌بندی مکانیکی ساختار‌های مهندسی بافت‌شده - قرار گرفتن در معرض بار مشخص در طول آماده‌سازی آنها - را بررسی می‌کند. نویسندگان این رویکرد را به تشکیل یک ساختار کلاژن جهت‌دار شبیه به بافت طبیعی نسبت می‌دهند.

این موضوع در حال حاضر یک حوزه تحقیقاتی است، نه یک روش اثبات‌شده برای افزایش طول عمر پروتز در انسان. مطالعه ارائه‌شده گزارشی از آزمایش بالینی دریچه جدید ارائه نمی‌دهد و مشخص نمی‌کند که چه مدت می‌تواند بیشتر از مدل‌های موجود دوام بیاورد.

هوانگ در پایان گفت: «این یافته‌ها درک ما را از چگونگی عملکرد قلب، چگونگی اختلال در عملکرد آن و چگونگی توسعه زیست‌مواد جدید برای جایگزینی دریچه‌های قلب افزایش می‌دهد.»

برای توسعه بیشتر، گذار از محافظت کوتاه‌مدت از نمونه به دوام کل ساختار بسیار مهم است. لازم است تأیید شود که آیا توزیع تغییر شکل مورد نظر در طول عملکرد طولانی‌مدت، پس از پردازش مواد و در داخل بدن حفظ می‌شود یا خیر. این امر مناسب بودن مکانیسم کشف‌شده برای ایجاد دریچه‌های بادوام‌تر را تعیین می‌کند.