Development and characterisation of bioengineered percutaneous heart valves using xenogeneic decellularised pericardia

Heart valve disease (HVD) represents a major health problem, causing significant morbidity and mortality worldwide. The gold standard for treating HVD is surgical replacement of the diseased valve with a prosthetic one. However, many patients affected by HVD cannot receive surgical treatment due to their old age or multiple comorbidities, such as poor left ventricular function, coronary artery disease, kidney failure or chronic lung diseases. The alternative solution for these patients is transcatheter implantation of a valve prosthesis, i.e. a percutaneous heart valve (PHV), by minimally invasive techniques. Current heart valve prostheses for this approach are composed of chemically treated xenogeneic tissue. As such, a limitation common to all of them is the inability of remodelling, repair, and regeneration, which are particularly problematic in case of paediatric patients. Decellularised scaffolds presenting a natural histoarchitecture have been shown to be a good alternative to chemically processed xenograft. Decellularisation is a process, which removes cells and other xenogeneic components from the treated tissue while retaining the integrity of its extracellular matrix components, which are essential for supporting cell engraftment and function. Importantly, decellularisation has the potential to remove immunogenic factors rendering decellularised xenografts potentially biocompatible in an in-human implantation. In this project, decellularised pericardium has been applied with the aim to develop bioengineered percutaneous heart valves (bioPHVs) with possibly superior potential of long-term performance in comparison to conventional cardiac valve prostheses. Porcine and bovine pericardia were decellularised using an established protocol combining Triton X-100, sodium cholate and endonucleases. Decellularisation was verified through histology, immunofluorescence, and biochemistry. BioPHVs were fabricated by sewing the decellularised pericardia onto commercially available stents. The bioPHVs were as first evaluated by hydrodynamic performance according to ISO 5840-3 standard requirements. Second, the possible effects of valve crimping on bioPHV decellularised pericardial tissues were assessed through histological and morphometrical analysis. Histology, immunofluorescence, and biochemical analyses revealed TRICOL to be equally successful for the decellularisation of both porcine and bovine pericardia. Hydrodynamic tests showed that bioPHVs satisfied the minimum performance requirements indicated by ISO 5840-3. The hydrodynamic behaviour of the bioPHVs was comparable, or even superior, to the one exhibited by the control valves. BioPHVs were also able to withstand extreme back pressure conditions without any severe regurgitations. Examination, both macroscopic and microscopic, of the valve samples after crimping showed no major trauma or injury on the pericardial cusps. This study demonstrated the suitability of the decellularised pericardium, either bovine or porcine, as an alternative to the glutaraldehyde-treated equivalent. Among the two types of pericardial species tested, preliminary results indicated that the porcine tissue would be preferable to fabricate advanced PHV replacements.

La malattia della valvola cardiaca (HVD) rappresenta un grave problema di salute, causando una significativa morbilità e mortalità in tutto il mondo. Il gold standard per il trattamento di HVD è la sostituzione chirurgica della valvola malata con una protesica. Tuttavia, molti pazienti affetti da HVD non possono ricevere un trattamento chirurgico a causa della loro vecchiaia o multiple comorbidità, come scarsa funzione ventricolare sinistra, malattia coronarica, insufficienza renale o malattie polmonari croniche. La soluzione alternativa per questi pazienti è l'impianto transcatetere di una protesi valvolare, cioè una valvola cardiaca percutanea (PHV), con tecniche minimamente invasive. Le attuali protesi valvolari cardiache per questo approccio sono composte da tessuto xenogenico trattato chimicamente. Come tale, una limitazione comune a tutti loro è l'incapacità di rimodellamento, riparazione e rigenerazione, che sono particolarmente problematici nel caso di pazienti pediatrici. Gli scaffold decellularizzati che presentano un'istologia architettonica naturale hanno dimostrato di essere una buona alternativa allo xenoinnesto trattato chimicamente. La decellularizzazione è un processo che rimuove le cellule e altri componenti xenogenici dal tessuto trattato, mantenendo l'integrità dei componenti della matrice extracellulare, essenziali per supportare l'attecchimento e la funzione delle cellule. È importante sottolineare che la decellularizzazione ha il potenziale per rimuovere i fattori immunogenici rendendo xenotrapianti decellularizzati potenzialmente biocompatibili in un impianto in-umano. In questo progetto, il pericardio decellularizzato è stato applicato con lo scopo di sviluppare valvole cardiache percutanee bioingegnerizzate (bioPHV) con possibilmente un potenziale superiore di prestazioni a lungo termine rispetto alle protesi valvolari cardiache convenzionali. La pericardia suina e bovina è stata decellularizzata usando un protocollo stabilito che combina Triton X-100, sodio colato e endonucleasi. La decellularizzazione è stata verificata attraverso l'istologia, l'immunofluorescenza e la biochimica. I BioPHV sono stati fabbricati cucendo la pericardia decellularizzata su stent disponibili in commercio. I bioPHV sono stati valutati per la prima volta dalle prestazioni idrodinamiche secondo i requisiti dello standard ISO 5840-3. In secondo luogo, i possibili effetti della crimpatura della valvola sui tessuti pericardici decellularizzati di bioPHV sono stati valutati mediante analisi istologica e morfometrica. Istologia, immunofluorescenza e analisi biochimiche hanno rivelato che TRICOL ha ugualmente successo per la decellularizzazione della pericardia suina e bovina. I test idrodinamici hanno dimostrato che i bioPHV soddisfacevano i requisiti minimi di prestazione indicati dalla norma ISO 5840-3. Il comportamento idrodinamico dei bioPHV era comparabile, o addirittura superiore, a quello mostrato dalle valvole di controllo. I BioPHV erano anche in grado di resistere a condizioni estreme di contropressione senza rigurgiti gravi. L'esame, sia macroscopico che microscopico, dei campioni delle valvole dopo la crimpatura non ha mostrato traumi o traumi maggiori alle cuspidi pericardiche. Questo studio ha dimostrato l'idoneità del pericardio decellularizzato, sia bovino che porcino, in alternativa all'equivalente trattato con glutaraldeide. Tra i due tipi di specie pericardiche testate, i risultati preliminari hanno indicato che il tessuto suino sarebbe stato preferibile per fabbricare sostituzioni avanzate di PHV.