Введение к работе
Актуальность работы.
На сегодняшний день остается открытым вопрос: каков оптимальный тип кардиоваскулярного коллагенового ксеноимплантата для контакта с биологической средой реципиента? Поиски большинства исследователей, активно работающих в последние 15-20 лет над проблемой долговечности кардиоваскулярных биологических протезов, фокусируются на главной проблеме - проблеме дисфункции протеза (Барбараш Л.С. ссоавт.,1991,1995, Журавлева И.Ю.,1989,1995, Малиновский Н.Н. с соавт.,1988, Schoen F. et al.,1983).
Основная причина неудач при протезировании элементов сердечнососудистой системы с исполь-зованием химически обработанного биологического материала связана с минерализацией его коллагеновой основы (Glimcher M.I.,1985, Golomb G.,1987, Levy R. et al. 1986,1987, Журавлева И.Ю., 1995, Барбараш Л.С. с соавт., 1995).
Процесс имплантации сопряжен для ксеногенной ткани со структурными и биохимическим преобразованиями, которым та подвергается сразу после попадания в агрессивную среду реципиента. Главным фактором, определяющим отдаленную судьбу имплантированных биопротезов, является способ их предимплантационной обработки (Webb C.L. et al.,1988,1990, Levy R. et al.,1991, Hidaka S. et al.,1993).
При изготовлении кардиоваскулярных ксенопротезов общепринятой является- их консервация в глутаровом альдегиде. Однако глутаро-вый альдегид способен, по-видимому, провоцировать начальную стадию минерализации консервированного имплантата. Патофизиологические основы данного процесса до сих пор не ясны, и вопрос о механизмах взаимодействия химически обработанных ксеноимплантатов с катионами кальция остается открытым.
Актуальность настоящей работы обусловлена тем, что молекулярные механизмы взаимодействия имплантированного материала с биологически активными факторами реципиента окончательно не изучены. Доказанная в ряде зарубежных работ ингабирующая активность катионов АР и Fe3+ в отношении минерализации биологической ткани имплантата (Baldwin M.T.et al.,1991, Hirsch D.et al.,1993, Levy R.J.et al.,1991, Webb C.et al.,1988,1990) связана, по-видимому, с конкуренцией данных ионов и катионов Са (II) в процессе их комплексообразования с коллагеном. Сравнительная оценка комплексообразующих и антикальцифицирующих свойств ионов металлов переходного ряда, в известной степени аналогичных иону кальция по физико-химическим свойствам, несомненно, могут открыть новые страницы в разъяснении механизма данного явления.
В данной работе предпринята попытка изучения механизмов взаимодействия в активной системе "имплантат/реципиент" на молекулярном уровне. Использование для этой цели метода электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) предоставляет возможность изучения участия различных лигандов коллагеновых структур в процессе образования координационных связей с ионами переходных металлов.
Цель исследования- установление молекулярных механизмов взаимодействия имплантированного ксеноматериала и биологически активных факторов реципиента при перестройке координационной сферы металл-коллагеновых комплексов.
Задачи исследования:
1. Оценка возможности применения метода электронного
парамагнитного резонанса (ЭПР) для исследования процессов комплексо
образования имплантированных коллагеновых структур с катионами
. переходных металлов.
2. Изучение взаимодействия "имплантат/реципиент" на
молекулярном уровне при использовании ионов Cu(II), Gd(III), Mn(II),
Сг(ІІІ) в качестве спиновых меток.
-
Характеристика процессов сорбции спиновых меток в зависимости от молекулярных трансформаций коллагеновых ксеноимплантатов при консервации глутаровым альдегидом и диглицидиловым эфиром этиленгликоля.
-
Исследование динамики взаимодействия спин-меченых коллагеновых структур с организмом реципиента при имплантации.
-
Изучение влияния катионов переходных металлов на кальци-фикацию коллагеновых ксеноимплантатов, обработанных глутаровым альдегидом.
Научная новизна исследования
впервые для изучения молекулярных механизмов взаимодействия "имплантат/реципиент" использованы методы электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и ядерного магнитного резонанса (ЯМР);
выполнено скрининговое исследование кальций-ингибирующей активности металлов переходного ряда, сорбированных ксеногенной тканью до имплантации, и влияние на этот эффект некоторых параметров сорбции;
впервые изучено образование и постимплантационная трансформация комплексов коллагеновых структур с катионами Си (II), Gd(III), Al(III), Mn(II), Fe(III), Cr(III);
исследовано влияние свойств данных комплексов на кальцифи-кацию коллагеновых ксеноимплантатов;
впервые показано влияние способа консервации на комплексо-образующие свойства коллагена;
разработана и успешно апробирована новая модель для оценки кальций-связывающей активности ткани in vitro.
Положения, выносимые на защиту:
1. Для выяснения молекулярных механизмов процесса кальци-фикации кардиоваскулярных биопротезов могут быть применены физико-химические методы исследования закономерностей взаимо-
действия коллагеновых стуктур с катионами переходных металлов. Методами ЭПР и ЯМР могут быть установлены состав и строение комплексов таких катионов, как Cu(II), Gd(III), Сг(Ш) и А1(Ш) с коллагеновой матрицей биопротезов, что связано с тем, что при взаимодействии "имплантат/реципиент" может происходить перестройка координационной сферы комплексов металл-коллаген.
-
Способность ионов переходных металлов формировать комплексы с лигандами коллагеновой матрицы ксеноимплантата может быть использована для определения степени конкурентной активности избранного катиона в отношении ионов кальция. Продолжительность антикальциевого эффекта катионов переходных металлов, координированных коллагеновой матрицей, может зависеть от устойчивости сформированных комплексов.
-
Использование метода Са-селективной ионометрии имеет ряд преимуществ и позволяет in vitro охарактеризовать потенциальную способность биоматериала к необратимой сорбции ионов кальция и, в частности, влияние на нее такого фактора, как сорбция ионов переходных металлов.
Практическая значимость работы
Идентификация специфических лигандов коллагеновой матрицы, координирующих ионы металлов переходного ряда предоставляет возможность направленно ингибировать процесс минерализации. На практике, блокируя известные лиганды - мишени, связывающие кальций, конкретным химическим агентом, реализуется возможность непосредственного воздействия на систему механизмов кальцификации.
Установление основных механизмов комплексообразования при взаимодействии коллагеновых структур с катионами переходных металлов является ключом к пониманию молекулярных механизмов кальцификации.
Продемонстрированные в работе возможности метода электронного парамагнитного резонанса примененительно к изучению взаимодействия коллагеновых ксеноимплантатов с катионами переходных металлов, могут быть использованы в различных областях биологии и медицины.
Разработанная модель для оценки кальций-связывающей активности биоматериала в условиях in vitro является простой, не требует дорогостоящего оборудования, высокоинформативна и может широко использоваться для проведения скрининговых исследований в данной области.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 6 научных работ. Их список прилагается.
Апробация работы. Материалы и основные положения диссертации доложены и обсуждены на 5-м Международном симпозиуме
ШРАС ("Комплексы металлов с макромолекулами") (Бремен, Германия, 1993); 43-м Международном конгрессе Европейского общества сердечнососудистых хирургов (Берлин, Германия, 1994); симпозиуме с международным участием "Биопротезы в сердечно-сосудистой хирургии" (Кемерово, Россия, 1995); объединенной конференции Кемеровского кардиологического центра, ЦНИЛ Кемеровской государственной медицинской академии и кафедры патофизиологии Кемеровской государственной медицинской академии (Кемерово, 1995); расширенном заседании кафедры нормальной физиологии Сибирского^ государственного медицинского университета (Томск, 1996).
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов и практических рекомендаций; содержит 24 рисунка и 3 таблицы. Указатель литературы включает 188 работ.