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

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、機械弁、生体弁、人工組織弁の3つの種類に大きく分けられます。

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、血液が心臓内を適切な方向に流れ、心臓から心臓に接続された主要な血管（肺動脈と大動脈）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、弁を通る血流が妨げられたり（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、薬物療法や修復で治療できるものもありますが、人工弁に交換する必要があるものもあります。[ 2 ]

背景

人工心臓弁の3D医療アニメーション静止画
人工心臓弁の3D医療アニメーション静止画

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際に開閉します。[ 3 ]血液は右心房から心臓に入り、三尖弁を通って右心室へと送られます。そこから血液は肺動脈弁を通って肺へと送られます。酸素化された血液は左心房へと送られ、僧帽弁を通って左心室へと送られます。左心室は大動脈弁を通って大動脈へと血液を送り出します。

心臓弁損傷の原因は、先天性欠損、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、多岐にわたります。高血圧や心不全は心臓や動脈を拡張させ、心臓発作や外傷の後には瘢痕組織が形成されることがあります。[ 4 ]

人工心臓弁には、機械弁、生物弁（生体弁／組織弁）、組織工学弁の3種類があります。米国、英国、欧州連合では、生体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。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社[ 5 ] 、メドトロニック社[ 6 ]、アボット社（セント・ジュード・メディカル社）[ 7 ] 、クライオライフ社[ 8 ] 、ライフネットヘルス社[ 9 ]などがあります。

機械弁

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機械弁の中で最も一般的です。[ 12 ]

最初の移植

最初の人工心臓弁は透明なプラスチック製のチューブで、自由に動くボールが入口と出口の制限部の間に挟まれていました。初期のボールチェックバルブの設計は、心臓が収縮して心室内の血圧が心臓の外圧を超えると開き、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低下し、ボールが弁の基部に戻って密閉されます。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（そのうち6人が手術を生き延びました）、世界初の心臓弁移植となりましたが、成功は限定的でした。その後8年間、ハフナゲルによる移植は続けられました。しかし、この設計が実証されることはなく、信頼できる治療法として採用されることもありませんでした。[ 13 ]

Starr-Edwards ケージド ボール バルブ。

マイルズ・「ローウェル」・エドワーズは、本当に成功した心臓弁を発明した最初の人物として知られています。彼の設計は、特許取得済みのケージドボールチェックバルブを採用していました。[ 14 ]エドワーズの設計は、1960年に初めてアルバート・スターによって外科的に移植され、その後47年間、世界中の心臓病患者を救うために使用されました。その設計は、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ました。エドワーズの発明は、今日ではスター・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の命を救い続けています。 [ 15 ]スター・エドワーズ弁は、交換が必要になるまで患者に48年間の耐用年数を提供するという記録を樹立しました。[ 16 ] スター・エドワーズ弁などの機械心臓弁は、血栓形成と密接に関連しており、通常、目標INRが3.0～4.5の高用量の抗凝固薬が必要です。[ 17 ] 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環状形成リングに置き換えられました。[ 18 ]

ティルティングディスクバルブ

ティルティングディスクバルブ

1969年に導入された、臨床的に初めて利用可能な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。[ 19 ]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繊維で覆われた金属リングでできています。この金属リングは、2つの金属支持体を介してディスクを保持しており、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。このディスクは通常、非常に硬い炭素材料（熱分解炭素）で作られており、弁は摩耗することなく長年にわたって機能します。

二葉弁

二葉弁

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を中心に回転する2枚の半円形の弁葉で構成されています。ケージ型ボール弁やティルティング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。しかし、血液の逆流に対しては脆弱です。

機械弁の利点

機械弁が生体弁に対して持つ主な利点は、その耐久性の高さです。[ 20 ]金属や熱分解炭素で作られ、[ 10 ] 20～30年の寿命があります。[ 20 ]

機械弁の欠点

機械心臓弁の大きな欠点の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。[ 20 ]機械心臓弁は、機械的溶血性貧血（赤血球が弁を通過する際に損傷を受ける状態）を引き起こす可能性もあります。キャビテーション（局所的な圧力低下により血液などの流体内で微小な気泡が急速に発生する現象）は、機械心臓弁の故障につながる可能性があるため、[ 21 ]キャビテーション試験は弁設計検証プロセスの重要な部分です。

機械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。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。工学的な観点から見ると、理想的な心臓弁とは、圧力損失が最小限に抑えられ、逆流量が少なく、乱流が最小限に抑えられ、高応力の発生頻度が低減され、弁近傍で流れの剥離が生じないことです。

埋め込み型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、最終的には止血に至る可能性があります。血栓症を予防するために、抗凝固薬の使用は永続的に必要となります。[ 22 ]

生体弁

生体弁は通常、金属またはポリマーの支持体に付着した動物組織（異種移植/異種移植）から作られています。 [ 11 ]ウシ組織が最も一般的に使用されますが、ブタ組織から作られるものもあります。[ 23 ]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からの弁が使用されることもあります。大動脈同種移植はヒト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の際に置換するために摘出された心臓から採取されます。[ 12 ]肺動脈自家移植はロス手術としても知られ、大動脈弁を除去して患者自身の肺弁（右心室と肺動脈の間にある弁）と置換します。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します。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）が子供と一緒に成長できるため、主に子供に使用されています。[ 12 ]

生体心臓弁の利点

生体弁は機械弁に比べて血栓形成の可能性が低いため、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リスクが低くなります。[ 20 ]

生体心臓弁の欠点

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。[ 24 ] 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。[ 20 ]生体弁は若い患者ほど劣化が早い傾向があります。[ 25 ]

近年、研究者たちは生体弁の耐久性向上を目指し、新たな組織保存技術を開発しました。羊とウサギを対象とした研究では、この新技術を用いて保存された組織は対照群の組織よりも石灰化が少ないことが示されました。[ 26 ]この組織を含む弁は現在市販されていますが、患者を対象とした長期耐久性データはまだ得られていません。[ 27 ]

現在の生体弁は耐久性に優れておらず、時間の経過とともに石灰化します。[ 28 ]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。[ 28 ]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。子供が生体弁を使用している場合、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。[ 28 ]

組織工学弁

30 年以上もの間、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。[ 29 ]これらの組織工学弁では、ヒト細胞を足場に播種します。[ 29 ]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、分解性ポリマーから作られた足場です。[ 30 ]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。[ 30 ] [ 29 ]いくつかの組織工学心臓弁は臨床試験でテストされていますが、[ 30 ]市販されているものはありません。

組織工学心臓弁は個人に合わせて3Dモデル化することができ、個々の受容者にフィットするように設計することができる[ 31 ]。3Dプリントは、さまざまな生体材料を扱う際の高精度と精密さのために利用されている。[ 31 ]。組織工学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る。[ 28 ]。細胞外マトリックスは、弁の形状を維持するための支持を提供し、細胞の活動を決定する。[ 32 ]

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ますが、組織工学で作られた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ます。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、石灰化耐性を備え、周囲の心臓と共に成長し、生理的な血行動態プロファイルを示すものです。[ 33 ]これらの目標を達成するには、スキャフォールドを慎重に選択する必要があります。主な候補としては、脱細胞化ECM（異種移植または同種移植）、天然ポリマー、合成ポリマーの3つがあります。[ 33 ]

機械弁と生体弁の違い

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カーボンで作られています。[ 34 ]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、ドナーのヒト心臓から採取されます。[ 34 ]

機械弁は耐久性に優れているため、若い方や弁の劣化リスクが高い方にとってより良い選択肢となる可能性があります。また、すでに血液凝固抑制剤を服用している方や、弁置換手術を再度受けることが難しい方にも適しています。

生体弁は、生涯にわたって弁置換手術が必要にならない可能性が高い高齢者に適しています。機械弁では血栓形成のリスクがあり、抗凝血薬の服用に伴う重度の出血が主な副作用となるため、出血リスクがありワルファリンの服用を希望しない方も生体弁の適応を検討できます。生体弁が適している可能性のある他の患者としては、他に手術の予定があり抗凝血薬を服用できない方などが挙げられます。また、妊娠を希望している方も、ワルファリンは妊娠中にリスクをもたらすため、生体弁の適応を検討できます。

人工心臓弁の機能要件

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。

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。[ 36 ]

人工心臓弁の修復

人工心臓弁の耐用年数は10年から30年と予想されています。[ 20 ]

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、軽度の弁索延長など、様々な形態の変性である。[ 28 ]人工心臓弁の逆流や狭窄の修復には、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好まれる。[ 28 ]

研究者たちは、大きな切開なしで人工心臓弁の修復を可能にするカテーテルベースの手術を研究している。[ 37 ]

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。[ 38 ]

追加画像

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

参照

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