人工心臓弁

人工心臓弁
人工心臓弁の種類[1]
専門	心臓病学
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人工心臓弁は、正常に機能していない心臓弁（弁膜症）の代わりに人の心臓に埋め込まれる一方向弁 です。人工心臓弁は、機械心臓弁、生体弁、人工組織弁の 3 つの大まかなクラスに分けられます。

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、血液が心臓を通って、心臓に接続された主要な血管（肺動脈と大動脈）に適切な方向に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に陥る可能性があり、弁を通る血液の流れが妨げられたり（狭窄）、血液が弁を逆流したり（逆流）することがあります。どちらのプロセスも心臓に負担をかけ、心不全などの深刻な問題につながる可能性があります。機能不全の弁の中には、薬物治療や修復が可能なものもありますが、人工弁に置き換える必要があるものもあります。^[2]

心臓には4つの弁（三尖弁、肺動脈弁、僧帽弁、大動脈弁）があり、血液が心臓を通過するときに開閉します。^[3]血液は右心房から心臓に入り、三尖弁を通過し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入ります。酸素を与えられた後、血液は左心房に送られ、僧帽弁を通過して左心室に送られます。左心室は、大動脈弁を介して大動脈に血液を送ります。

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大させ、心臓発作や外傷後には瘢痕組織が形成される可能性があります。^[4]

人工心臓弁には、機械弁、生物弁（生体弁/組織弁）、組織工学弁の3つの主な種類があります。米国、英国、欧州連合では、最も一般的な人工心臓弁は生体弁です。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。^[要出典]心臓弁を製造している企業には、エドワーズライフサイエンス、^[5]メドトロニック、^[6]アボット（セントジュードメディカル）、^[7]クライオライフ、^[8]ライフネットヘルスなどがあります。^[9]

機械弁には、ケージドボール弁、ティルティングディスク弁、二葉弁の3つの主なタイプがあり、これらの設計にはさまざまな改良が加えられています。^[10]ケージドボール弁は、現在では移植されていません。^[11]二葉弁は、現在患者に移植される最も一般的なタイプの機械弁です。^[12]

最初の人工心臓弁はケージボール弁で、ボールがケージ内に収められたボールチェックバルブの一種です。心臓が収縮し、心室内の血圧が心室外の圧力を超えると、ボールがケージに押し付けられ、血液が流れます。心臓の収縮が終了すると、心室内の圧力が下がり、ボールが弁のベースに戻って密閉されます。

1952年、チャールズ・A・ハフナゲルはケージ付きボール心臓弁を10人の患者に移植し（うち6人が手術を生き延びた）、人工心臓弁の最初の成功となった。^[要出典]同様の弁は1960年にマイルズ・ローウェル・エドワーズとアルバート・スターによって発明され、一般にスター・エドワーズ・シラスティック・ボール弁と呼ばれている。^{[13]これは、リングに溶接された}メチルメタクリレートケージに囲まれたシリコンボールで構成されていた。スター・エドワーズ弁は1960年8月25日に初めて人間に移植され、2007年にエドワーズライフサイエンスによって製造中止となった。^[13]

ケージドボール弁は血栓形成と強く関連しているため、ケージドボール弁を使用している患者には高度な抗凝固療法が必要であり、通常はINRの目標値は3.0～4.5です。^[14]

1969年に導入された、臨床的に利用可能な最初のティルティングディスク弁は、ビョーク・シャイリー弁でした。^{[15]ティルティングディスク弁は}スイングチェックバルブの一種で、 ePTFEファブリックで覆われた金属リングで作られています。金属リングは、2つの金属サポートを使用してディスクを保持し、心臓が拍動すると開いて血液を流し、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）で作られており、弁が摩耗することなく何年も機能することができます。^[要出典]

1979 年に導入された二葉弁は、弁ハウジングに取り付けられた支柱の周りを回転する 2 つの半円形の弁葉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、血栓のリスクは低くなります。ただし、血液の逆流には弱いです。^{[引用が必要]}

生体弁に対する機械弁の主な利点は、耐久性が高いことです。^[16]金属や熱分解炭素で作られており、^[10] 20～30年の寿命があります。^[16]

機械弁の主な欠点の1つは、血栓のリスクが増加することです。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。機械弁を使用している人は、ワルファリンなどの抗凝固剤（血液希釈剤）を生涯服用する必要があります。^{[16]機械弁は、}機械的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。 ^[要出典] キャビテーション、つまり局所的な圧力低下により血液などの流体内に微小な泡が急速に形成されることが、機械弁の故障につながる可能性があるため、^[17]キャビテーションテストは弁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合併症の多くは、流体力学によって説明できます。たとえば、血栓形成は、弁の設計によって生じる高せん断応力の副作用です。工学的観点から見ると、理想的な心臓弁は、圧力降下が最小限で、逆流量が少なく、乱流が最小限で、高応力の発生が抑えられ、弁付近で流れの分離が発生しません。^{[引用が必要]}

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、最終的に止血につながる可能性があります。血栓症を防ぐために抗凝固薬の使用は無限に続くでしょう。^{[18] [非一次情報源が必要]}

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/異種移植）から作られています。 ^[11]牛組織が最も一般的に使用されていますが、豚組織から作られるものもあります。^{[19] [非一次情報源が必要]}組織は拒絶反応と石灰化を防ぐために処理されます。^{[出典が必要]}

動物組織弁の代替品が使用されることもあり、大動脈同種移植や肺自家移植のように、人間のドナーから採取した弁が使用される。大動脈同種移植は、人間のドナーから採取した大動脈弁であり、ドナーの死後または心臓移植中に取り出されて置換される心臓から採取される。^{[12]肺自家移植は}ロス手術とも呼ばれ、大動脈弁を摘出し、患者自身の肺弁（右心室と肺動脈の間にある弁）と置換する。その後、肺同種移植（死体から採取した肺弁）を使用して、患者自身の肺弁を置換する。この手術は1967年に初めて実施され、患者自身の肺弁（現在は大動脈の位置にある）が子供とともに成長できるため、主に子供に使用されている。^[12]

生体弁は機械弁よりも血栓を引き起こす可能性が低いため、生涯にわたる抗凝固療法を必要としません。その結果、生体弁を使用している人は機械弁を使用している人よりも出血のリスクが低くなります。^[16]

生体弁は機械弁よりも耐久性が低く、通常は10～20年しか持ちません。^[20] これは、生体弁を使用している人は、生涯で再度大動脈弁置換術が必要になる確率が高いことを意味します。^[16]生体弁は若い患者ほど早く劣化する傾向があります。^[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。羊とウサギの研究では、この新しい技術を使用し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。 ^[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] [非一次ソースが必要]}

現在の生体弁は耐久性に欠けており、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、生体弁は患者と一緒に成長したり適応したりすることができません。子供が生体弁を持っている場合、身体の成長に合わせて弁を数回交換する必要があります。^[24]

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ました。^[25]これらの組織工学による弁では、足場の上にヒト細胞を播種します。^[25]足場には主に2種類あり、脱細胞化組織などの天然の足場と、分解性ポリマーで作られた足場です。^[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構造に導きます。^{[26] [25]}いくつかの組織工学による心臓弁は臨床試験でテストされていますが、^[26]市販されているものはありません。

組織工学による心臓弁は個人に合わせて作られ、個々の受信者にフィットするように3Dモデル化することができます^[27] 3Dプリントは、さまざまな生体材料を扱う際の精度と精密さが高いために使用されています。^[27]組織工学による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模倣して、心臓弁に似たものを作ることができるが、組織工学で作られた弁には天然の細胞基盤がないため、天然の心臓弁のような機能を果たせなかったり、移植時には機能しても時間の経過とともに徐々に劣化したりしてしまう。^[要出典]理想的な組織工学で作られた心臓弁は、非血栓性、生体適合性、耐久性、石灰化耐性、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には、足場を慎重に選択する必要があり、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]生体弁はヒトまたは動物の組織で作られています。ヒト組織で作られた弁は同種移植または同種移植と呼ばれ、ドナーのヒトの心臓から採取されます。^[30]

機械弁は耐久性があるため、若い人や弁の劣化リスクがある人にとってはより良い選択肢となる可能性があります。また、すでに血液凝固阻止剤を服用している人や、弁置換手術を再度受けることが難しいと思われる人にも適しています。^[要出典]

生体弁は、生涯に弁置換手術が必要ない可能性がある高齢者グループに適しています。機械弁では血栓形成のリスクがあり、抗凝血薬の服用による重度の出血が主な副作用であるため、出血リスクがありワルファリンを服用したくない人は生体弁も検討できます。生体弁の方が適している可能性のある他の患者としては、他の手術が予定されており抗凝血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、ワルファリンが妊娠中にリスクを引き起こすため生体弁を検討できます。^{[引用が必要]}

人工心臓弁は理想的には天然の心臓弁のように機能するはずです。^[11]天然の心臓弁の機能には多くの利点があります。

• 最小限の逆流– これは、弁が閉じるときに逆流する血液の量が少ないことを意味します。ある程度の弁逆流は避けられず、1拍あたり約5mlまで自然なものです。 ^[31]しかし、いくつかの心臓弁の病状（リウマチ性心内膜炎など）は、臨床的に重大な弁逆流につながる可能性があります。心臓弁プロテーゼの望ましい特性は、生理的な心臓機能の全範囲にわたって逆流が最小限であることです。
• 弁間圧力勾配の最小化 –流体が弁などの制限部を通過すると、制限部で圧力 勾配が発生します。この圧力勾配は、制限部を通過する流れに対する抵抗が増大した結果生じます。天然の心臓弁は、弁間圧力勾配が低く、それ自体を通過する流れをほとんど妨げないため、通常は 16 mmHg 未満です。人工心臓弁の望ましい特性は、弁間圧力勾配が可能な限り小さいことです。
• 非血栓性– 天然の心臓弁は、心室の内皮と同等の内皮で覆われているため、通常は血栓性がありません（つまり、血栓を引き起こしません）。血栓は下流の動脈に詰まって塞ぐ可能性があるため危険です（例：冠動脈は心臓発作 [心筋梗塞]を引き起こし、脳動脈は脳卒中を引き起こします）。人工心臓弁の望ましい特性は、血栓性がないか、または最小限であることです。
• 自己修復 – 弁尖は、弁尖を構成する結合組織内の再生細胞（線維芽細胞など）のおかげで、ある程度の修復能力を保持しています。人間の心臓は、典型的な人間の寿命の間に約3.4×10 ⁹回鼓動するため、この限られた修復能力は非常に重要です。現在、心臓弁プロテーゼは自己修復できませんが、組織工学による弁は、最終的にはそのような機能を提供する可能性があります。^[26]

人工心臓弁の性能は、臨床使用前にパルスデュプリケーターを用いて体外で試験することができる。^[32]

人工心臓弁の耐用年数は10年から30年と予想されている。^[16]

人工心臓弁の最も一般的な問題は、弁尖の著しい隆起、虚血性僧帽弁病変、軽微な弁索延長など、さまざまな形態の変性である。^[24]人工心臓弁の逆流および狭窄の修復には、通常、開胸手術が必要であり、逆流弁の修復または部分的な置換が通常好まれる。^[24]

研究者たちは、大きな切開なしで人工心臓弁を修復できるカテーテルベースの手術を研究している。^[33]

研究者たちは、人工心臓弁のやり直しや迅速な修復を可能にする交換可能な人工心臓弁を研究している。^[34]

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  機械弁の3Dレンダリング
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  機械弁の 3D レンダリング (セントフランシス モデル)

• 人工心臓
• 人工ペースメーカー
• 僧帽弁置換術
• 大動脈弁置換術

• 「心臓弁置換の種類を説明するページ」。メイヨー クリニック。2006 年 11 月 13 日時点のオリジナルよりアーカイブ。
• 「機械式心臓弁の新設計」。ScienceDaily。2011年11月23日。