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3-D-gedruckte Modelle könnten Herzklappenersatz ersetzen

Forscher haben möglicherweise einen Weg gefunden, den Erfolg von Transkatheter-Aortenklappenersatz zu verbessern, dank der Fortschritte in der 3-D-Drucktechnologie.
Forscher sagen, dass ihre 3-D-gedruckten Herzklappenmodelle (hier gezeigt) die Ergebnisse von Herzklappenersatz verbessern könnten.
Bildnachweis: Rob Felt

In einer neuen Studie veröffentlicht in JACC: Kardiovaskuläre BildgebungForscher enthüllen die Schaffung von 3-D-gedruckten Modellen, die es Ärzten ermöglichen könnten, vorherzusagen, wie gut eine Herzklappenprothese für einen Patienten geeignet ist, wodurch ihre Wahrscheinlichkeit eines paravalvulären Lecks verringert wird.

Transkatheter Aortenklappenersatz (TAVR) ist ein chirurgischer Eingriff zur Behandlung von Patienten mit Aortenklappenerkrankungen, wobei die Funktion der Aortenklappe - also der Klappe zwischen der linken Herzkammer und der Aorta - beeinträchtigt ist.

TAVR - auch Transkatheter-Aortenklappenimplantation genannt - ist ein minimalinvasives Verfahren. Es beinhaltet das Einsetzen einer Ersatzprothetik-Aortenklappe in die beschädigte Aortenklappe durch einen Katheter. Sobald sie eingeführt ist, dehnt sich die Klappenprothese aus und übernimmt die Aufgabe einer gesunden Aortenklappe.

Während TAVR eine sicherere Alternative für Patienten mit hohem Risiko für Komplikationen bei Operationen am offenen Herzen ist, ist es nicht risikofrei.

Eine Komplikation von TAVR ist eine paravalvuläre Leckage, wobei Blut von der prothetischen Aortenklappe austritt und um sie fließt, anstatt durch sie hindurch. Dies kann das Risiko einer Endokarditis - einer Infektion der inneren Herzauskleidung - und einer Herzinsuffizienz erhöhen.

Eine paravalvuläre Leckage tritt am häufigsten auf, wenn die Klappenprothese nicht in der Lage ist, eine präzise Passung innerhalb der beschädigten Aortenklappe des Patienten zu erreichen. Daher besteht ein Bedarf, bessere Wege zu finden, um die Passform einer Klappenprothese vorherzusagen.

Co-Autor Zhen Qian, Leiter der Forschung für kardiovaskuläre Bildgebung am Piedmont Heart Institute in Atlanta, GA, und seine Kollegen haben 3-D-Herzklappenmodelle entwickelt, von denen sie glauben, dass sie diese Anforderungen erfüllen könnten.

Erstellen von 3-D-Herzklappenmodellen

Um ihre Modelle zu erstellen, verwendeten die Forscher modernste 3D-Drucktechnologie, mit der sie die physiologischen Eigenschaften von Herzklappengewebe mit einer Vielzahl verschiedener synthetischer Materialien simulieren konnten.

"Bisherige Methoden zur Verwendung von 3D-Druckern und einem einzigen Material zur Erstellung menschlicher Organmodelle beschränkten sich auf die physiologischen Eigenschaften des verwendeten Materials", sagt Studienkoautor Chuck Zhang von der Stewart School of Industrial and Systems Engineering am Georgia Institute der Technologie in Atlanta, GA.

"Unsere Methode, diese Modelle mit Metamaterial-Design und Multi-Material 3D-Druck zu erstellen, berücksichtigt das mechanische Verhalten der Herzklappen und imitiert das natürliche Spannungs-Versteifungs-Verhalten der Weichteile, das aus der Wechselwirkung zwischen Elastin und Kollagen entsteht Proteine ??in Herzklappen gefunden. "

Die Herzklappenmodelle des Teams basierten auf Computertomographie (CT) -Bildern von 18 Patienten, die TAVR erhalten hatten. Nach dem Bau kleideten die Forscher die Modelle mit strahlenundurchlässigen Kügelchen ein, was hilft, jede Dislokation des Herzklappenimplantats zu erkennen.

Der 'bulge index'-Wert

Als nächstes identifizierten die Forscher die Art und Größe der Klappenprothese, die jeder der 18 Patienten während der TAVR erhalten hatte.

In einer warmen Wasserumgebung wurden - um die menschliche Körpertemperatur zu imitieren - Prothesenventile gleicher Größe und Art in die 3-D-Modelle implantiert. Die Position dieser Klappen ahmte die Position der Klappenprothesen bei den Patienten nach.

Unter Verwendung von medizinischer Bildgebung und Computersoftware überwachte das Team die Position der radiopaken Perlen in den 3D-Modellen vor und nach der Implantation der Klappenprothese. Dies ermöglichte es ihnen, Unterschiede zu identifizieren, die darauf hinwiesen, dass die Klappenprothese schlecht passte.

Diese Disparitäten wurden verwendet, um einen "Bulge-Index" zu erstellen. Die Forscher fanden heraus, dass sie den Bulge-Index verwenden könnten, um die Schwere der paravalvulären Leckage nach der TAVR vorherzusagen; Je größer der Bulge-Index-Wert ist, desto höher ist der Schweregrad der paravalvulären Leckage.

Die Forscher fanden heraus, dass das Niveau der Kalziumansammlung auf einer beschädigten Herzklappe eines Patienten auch verwendet werden könnte, um die Schwere der paravalvulären Leckage vorherzusagen, aber sie merken an, dass in einigen Fällen die 3-D gedruckten Modelle genauer waren.

"Ermutigende" Ergebnisse

Während die 3-D-Herzklappenmodelle weiter verfeinert werden müssen, sagt Qian, dass die aktuellen Studienergebnisse "ermutigend" sind.

"Auch wenn dieses Verfahren zum Ersetzen von Ventilen ziemlich ausgereift ist, gibt es immer noch Fälle, in denen die Auswahl einer anderen Prothese oder eines anderen Herstellers das Ergebnis verbessern könnte. Der 3D-Druck wird sehr hilfreich sein, um herauszufinden, welche", merkt Qian an.

Kurz gesagt, glauben die Forscher, dass ihre 3-D-Herzklappenmodelle die Fähigkeit haben, die Versorgung von Patienten, die TAVR durchlaufen, zu transformieren.

"Sobald ein Patient einen CT-Scan hat, können wir schließlich ein Modell erstellen, verschiedene Arten von Ventilen ausprobieren und dem Arzt mitteilen, welcher am besten funktioniert. Wir könnten sogar vorhersagen, dass ein Patient wahrscheinlich eine mäßige paravalvuläre Leckage hat eine Ballondilatation wird es lösen. "

Zhen Qian

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