人工心臓弁

人工心臓弁とは、正常に機能していない心臓弁（弁膜症）を置き換えるために、人の心臓に埋め込まれる一方向弁です。人工心臓弁は、大きく分けて機械弁、生体弁、人工組織弁の3種類に分類されます。

人間の心臓には、三尖弁、肺動脈弁、僧帽弁、大動脈弁の4つの弁があります。これらの弁の主な役割は、心臓内を血液が正しい方向に流れるようにすること、そして心臓から心臓につながる主要な血管（肺動脈と大動脈）へ血液が流れるようにすることです。心臓弁はさまざまな理由で機能不全を起こすことがあり、その結果、弁を通る血液の流れが妨げられたり（狭窄）、弁を通って血液が逆流したり（逆流）することがあります。どちらの場合も心臓に負担がかかり、心不全などの深刻な問題につながる可能性があります。機能不全を起こした弁の中には、薬物療法や修復で治療できるものもありますが、人工弁に置き換える必要があるものもあります。^{[ 2 ]}

背景

心臓には、血液が心臓を通過する際に開閉する 4 つの弁 (三尖弁、肺動脈弁、僧帽弁、大動脈弁) があります。^{[ 3 ]}血液は右心房から心臓に入り、三尖弁を通って右心室に送られます。そこから、血液は肺動脈弁を通って肺に送り出されます。酸素化された血液は左心房に送られ、僧帽弁を通って左心室に送り出されます。左心室は、大動脈弁を通って大動脈に血液を送り出します。

心臓弁の損傷には、先天異常、加齢に伴う変化、リウマチ熱や心内膜炎を引き起こす感染症などの他の疾患の影響など、多くの潜在的な原因があります。高血圧や心不全は心臓や動脈を拡張させる可能性があり、心臓発作や外傷後には瘢痕組織が形成されることがあります。^{[ 4 ]}

人工心臓弁の主な種類は、機械弁、生体弁（生体補綴弁／組織弁）、組織工学弁の3つです。米国、英国、欧州連合では、生体補綴弁が最も一般的な人工心臓弁です。機械弁は、アジアやラテンアメリカでより一般的に使用されています。

機械弁には、ケージボール弁、傾斜ディスク弁、二葉弁の 3 つの主要なタイプがあり、これらの設計にはさまざまな改良が加えられています。^{[ 5 ]}ケージボール弁はもはや埋め込まれていません。^{[ 6 ]}二葉弁は、今日患者に埋め込まれる最も一般的なタイプの機械弁です。^{[ 7 ]}

最初の移植

最初の人工心臓弁は、入口と出口の制限部の間に自由に動くボールが挟まれた透明なプラスチック製のチューブでした。初期のボールチェック弁の設計では、心臓が収縮して心室内の血圧が心臓の外部圧力を超えると弁が開き、血液が流れます。心臓の収縮が終わると、心室内の圧力が低下し、ボールが弁の基部に戻って密閉状態になります。チャールズ・A・ハフナゲルは1952年にこのチューブとボールの設計を10人の患者に移植し（うち6人が手術を生き延びた）、限定的な成功ではあったものの、最初の心臓弁移植となりました。その後8年間、ハフナゲルによる移植手術は続けられました。しかし、この設計は信頼できる医療処置として証明されたり採用されたりすることはありませんでした。^{[ 8 ]}

マイルズ・「ローウェル」・エドワーズは、真に安全で効果的な心臓弁を発明した最初の人物として知られています。^{[ 9 ]}彼の設計は、特許取得済みのケージボールチェック弁に依存していました。^{[ 10 ]}エドワーズの設計は、1960年にアルバート・スターによって初めて外科的に移植され、その後47年間、世界中の心臓病患者の命を救うために成功裏に使用されました。この設計は、リングに溶接されたメタクリル酸メチルのケージで囲まれたシリコンボールで構成されていました。エドワーズの発明は今日、スター・エドワーズ弁として知られており、2007年以前に治療を受けた多くの心臓病患者に救命サービスを提供し続けています。 ^{[ 11 ]}スター・エドワーズ弁は、交換が必要になるまで患者に48年間サービスを提供したという記録を打ち立てました。^{[ 12 ]}スター・エドワーズ弁などの機械式心臓弁は、血栓形成と強く関連しており、通常、目標INRが3.0～4.5の高用量の抗凝固剤を必要とします。^[¹³^] 2007年にスター・エドワーズ弁は廃止され、エドワーズライフサイエンス社によってエドワーズ・ミクソETlogix弁輪形成リングに置き換えられた。^[¹⁴^]

傾斜ディスクバルブ

1969年に導入された、臨床的に使用可能な最初の傾斜ディスク弁は、ビョーク・シャイリー弁でした。^{[ 15 ]}傾斜ディスク弁は、スイングチェック弁の一種で、 ePTFE布で覆われた金属リングでできています。金属リングは、2つの金属支持具によってディスクを保持しており、心臓が拍動するとディスクが開いて血液が流れ、その後再び閉じて血液の逆流を防ぎます。ディスクは通常、非常に硬い炭素材料（熱分解炭素）でできており、弁が摩耗することなく何年も機能することができます。

二葉弁

1979年に導入された二葉弁は、弁本体に取り付けられた支柱を中心に回転する2枚の半円形の弁尖で構成されています。ケージボール弁や傾斜ディスク弁よりも開口部が大きいため、血栓形成のリスクが低くなっています。しかし、血液の逆流に対して脆弱です。

機械式バルブの利点

機械弁の生体弁に対する主な利点は、耐久性が高いことです。^{[ 16 ]}金属および/または熱分解炭素で作られており、^{[ 5 ]} 20～30年持ちます。^{[ 16 ]}

機械式バルブの欠点

機械式心臓弁の主な欠点の 1 つは、血栓のリスク増加と関連していることです。赤血球と血小板の損傷によって形成された血栓は、血管を塞ぎ、脳卒中を引き起こす可能性があります。機械式弁を使用している人は、生涯にわたってワルファリンなどの抗凝固剤（血液希釈剤）を服用する必要があります。 ^{[ 16 ]}機械式心臓弁は、機械性溶血性貧血を引き起こす可能性もあります。これは、赤血球が弁を通過する際に損傷を受ける状態です。キャビテーションは、局所的な圧力低下により血液などの流体中に微小気泡が急速に形成される現象で、機械式心臓弁の機能不全につながる可能性があります。^[¹⁷^]そのため、キャビテーション試験は弁の設計検証プロセスの重要な部分です。

機械式心臓弁に関連する多くの合併症は、流体力学によって説明できます。例えば、血栓形成は、弁の設計によって生じる高いせん断応力の副作用です。工学的な観点から言えば、理想的な心臓弁は、圧力降下を最小限に抑え、逆流量が少なく、乱流を最小限に抑え、高応力の発生頻度を減らし、弁周辺で流れの剥離を引き起こさないものです。

埋め込まれた機械弁は異物拒絶反応を引き起こす可能性があります。血液が凝固し、最終的に止血に至る可能性があります。血栓症を予防するために抗凝固薬の使用は終わりのないものになります。^{[ 18 ]}

生体弁

生体弁は通常、金属またはポリマーの支持体に取り付けられた動物組織（異種移植片/異種移植片）から作られます。 ^{[ 6 ]}ウシ（牛）組織が最も一般的に使用されますが、ブタ（豚）組織から作られるものもあります。^{[ 19 ]}組織は拒絶反応と石灰化を防ぐために処理されます。

動物組織弁の代替として、大動脈同種移植や肺動脈自家移植のように、ヒトドナー由来の弁が使用される場合がある。大動脈同種移植とは、ヒトドナーの大動脈弁であり、ドナーの死後、または心臓移植中に交換するために摘出された心臓から採取される。^{[ 7 ]}ロス手術としても知られる肺動脈自家移植とは、大動脈弁を摘出し、患者自身の肺動脈弁（右心室と肺動脈の間の弁）に置き換える手術である。その後、肺動脈同種移植（死体から採取した肺動脈弁）を使用して、患者自身の肺動脈弁を置き換える。この手術は1967年に初めて行われ、主に小児に用いられている。これは、患者自身の肺動脈弁（現在は大動脈の位置にある）が小児の成長に合わせて成長できるためである。^{[ 7 ]}

生体弁心臓弁の利点

生体弁は機械弁に比べて血栓ができにくいため、生涯にわたる抗凝固療法は不要です。その結果、生体弁を装着している人は、機械弁を装着している人よりも出血のリスクが低くなります。^{[ 16 ]}

生体弁心臓弁の欠点

生体弁は機械弁よりも耐久性が低く、通常10～20年しか持ちません。^{[ 20 ]} これは、生体弁を装着している人は生涯のうちに大動脈弁置換手術を再度受ける必要が生じる可能性が高いことを意味します。^{[ 16 ]}生体弁は若い患者ほど劣化が早い傾向があります。^{[ 21 ]}

近年、科学者たちは生体弁の耐久性を向上させる目的で、新しい組織保存技術を開発しました。ヒツジとウサギの研究では、この新しい技術を用いて保存された組織は、対照組織よりも石灰化が少なかったことが示されています。^{[ 22 ]}この組織を含む弁は現在市販されていますが、患者における長期耐久性データはまだ入手できません。^{[ 23 ]}

現在の生体弁は耐久性に欠け、時間の経過とともに石灰化します。^{[ 24 ]}弁が石灰化すると、弁尖が硬く厚くなり、完全に閉じることができなくなります。^{[ 24 ]}さらに、生体弁は患者の成長に合わせて変化したり適応したりすることができません。小児が生体弁を使用している場合、身体の成長に合わせて弁を何度も交換する必要があります。^{[ 24 ]}

組織工学的に作製された弁

30年以上にわたり、研究者たちは体外で心臓弁を培養しようと試みてきた。^{[ 25 ]}これらの組織工学弁は、足場にヒト細胞を播種することによって作られる。^{[ 25 ]}足場の主な種類は、脱細胞化組織などの天然足場と、分解性ポリマーから作られた足場の2種類である。^{[ 26 ]}足場は細胞外マトリックスとして機能し、組織の成長を心臓弁の正しい3D構造へと導く。^{[ 26 ]}^{[ 25 ]}組織工学心臓弁の中には臨床試験でテストされたものもあるが、^{[ 26 ]}市販されているものはない。

組織工学的に作製された心臓弁は、個々の患者に合わせて3Dモデル化することができ^{[ 27 ]、} 3Dプリンティングは、さまざまな生体材料を扱う際の高い精度と精密さのために使用されています^{[ 27 ]}。組織工学的に作製された心臓弁に使用される細胞は、細胞外マトリックス（ECM）を分泌することが期待されています^{[ 24 ]} 。細胞外マトリックスは、弁の形状を維持するためのサポートを提供し、細胞の活動を決定します^{[ 28 ] 。}

科学者は心臓弁の構造をたどって、それに似たものを作り出すことができるが、組織工学弁は天然の細胞基盤を欠いているため、天然の心臓弁のように機能しないか、移植された直後は機能するものの、時間の経過とともに徐々に劣化する。理想的な組織工学心臓弁は、血栓形成能がなく、生体適合性があり、耐久性があり、石灰化に強く、周囲の心臓とともに成長し、生理的な血行動態プロファイルを示すものである。^[²⁹^]これらの目標を達成するために、足場を慎重に選択する必要がある。主な候補は、脱細胞化ECM（異種移植片または同種移植片）、天然ポリマー、合成ポリマーの3つである。^[²⁹^]

機械弁と生体弁の違い

機械弁と組織弁は異なる材料で作られています。機械弁は一般的にチタンと炭素で作られています。^{[ 30 ]}組織弁はヒトまたは動物の組織でできています。ヒト組織でできた弁は、同種移植または同質移植として知られており、ドナーの心臓から採取されます。^{[ 30 ]}

機械弁は耐久性に優れているため、若い人や弁の劣化リスクが高い人にとってより良い選択肢となり得ます。また、すでに血液凝固抑制剤を服用している人や、再度の弁置換手術に耐えられない可能性が高い人にも適しています。

生体弁は、生涯にわたって弁置換手術が不要となる可能性があるため、高齢者層に適しています。機械弁では血栓形成のリスクがあり、抗凝固薬の服用による主な副作用として重度の出血のリスクがあるため、出血リスクがありワルファリンの服用を希望しない人は、生体弁を検討してもよいでしょう。生体弁がより適している可能性のあるその他の患者としては、他の手術を予定していて抗凝固薬を服用できない人などが挙げられます。妊娠を計画している人も、ワルファリンは妊娠中にリスクをもたらすため、生体弁を検討してもよいでしょう。