sibmedСибирский научный медицинский журналСибирский научный медицинский журнал2410-25122410-2520ИЦиГ СО РАН10.18699/SSMJ20250313sibmed-2246Research ArticleМЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИBIOMEDICINEФерментная деградация коллагена как фактор, усиливающий кальцификацию эпоксиобработанных биопротезов клапанов сердца: данные моделирования in vitroEnzymatic degradation of collagen as a factor enhancing calcification of epoxy-treated bioprosthetic heart valves: in vitro modeling datahttps://orcid.org/0000-0001-6099-0315КостюнинА. Е.KostyuninA. E.

Александр Евгеньевич Костюнин, к. б. н.

650002; б-р им. Академика Л.С. Барбараша, стр. 6; Кемерово

Alexandr E. Kostyunin, candidate of biological sciences

650002; Academician Barbarash blvd., 6; Kemerovo

rhabdophis_tigrina@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4890-0393ГлушковаТ. В.GlushkovaT. V.

Татьяна Владимировна Глушкова, к. б. н.

650002; б-р им. Академика Л.С. Барбараша, стр. 6; Кемерово

Tatyana V. Glushkova, candidate of biological sciences

650002; Academician Barbarash blvd., 6; Kemerovo

bio.tvg@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0033-9376АкентьеваТ. Н.AkentyevaT. N.

Татьяна Николаевна Акентьева

650002; б-р им. Академика Л.С. Барбараша, стр. 6; Кемерово

Tatyana N. Akentyeva

650002; Academician Barbarash blvd., 6; Kemerovo

t.akentyeva@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0004-1138-9653БорисоваН. Н.BorisovaN. N.

Наталья Николаевна Борисова, 

650002; б-р им. Академика Л.С. Барбараша, стр. 6; Кемерово

Natalya N. Borisova

650002; Academician Barbarash blvd., 6; Kemerovo

brsvnn99@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-3211-1250КлышниковК. Ю.KlyshnikovK. Yu.

Кирилл Юрьевич Клышников, к. м. н.

650002; б-р им. Академика Л.С. Барбараша, стр. 6; Кемерово

Kirill Yu. Klyshnikov, candidate of medical sciences

650002; Academician Barbarash blvd., 6; Kemerovo

klyshnikovk@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-2404-2873ОнищенкоП. С.OnishchenkoP. S.

Павел Сергеевич Онищенко

650002; б-р им. Академика Л.С. Барбараша, стр. 6; Кемерово

Pavel S. Onishchenko

650002; Academician Barbarash blvd., 6; Kemerovo

onis.pavel@gmail.comhttps://orcid.org/0009-0008-8957-5041КлюеваА. А.KlyuevaA. A.

Анастасия Александровна Клюева

650002; б-р им. Академика Л.С. Барбараша, стр. 6; Кемерово

Anastasia A. Klyueva

650002; Academician Barbarash blvd., 6; Kemerovo

kaiketsu@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7477-3979ОвчаренкоЕ. А.OvcharenkoE. A.

Евгений Андреевич Овчаренко, к. т. н.

650002; б-р им. Академика Л.С. Барбараша, стр. 6; Кемерово

Evgeniy A. Ovcharenko, candidate of technical sciences

650002; Academician Barbarash blvd., 6; Kemerovo

ov.eugene@gmail.comНИИ комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеванийРоссияResearch Institute for Complex Issues of Cardiovascular DiseasesRussian Federation202513072025453120126Copyright © Костюнин А.Е., Глушкова Т.В., Акентьева Т.Н., Борисова Н.Н., Клышников К.Ю., Онищенко П.С., Клюева А.А., Овчаренко Е.А., 20252025Костюнин А.Е., Глушкова Т.В., Акентьева Т.Н., Борисова Н.Н., Клышников К.Ю., Онищенко П.С., Клюева А.А., Овчаренко Е.А.Kostyunin A.E., Glushkova T.V., Akentyeva T.N., Borisova N.N., Klyshnikov K.Y., Onishchenko P.S., Klyueva A.A., Ovcharenko E.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://sibmed.elpub.ru/jour/article/view/2246

   Цель исследования – оценить в эксперименте in vitro влияние ферментной деградации коллагена на последующую кальцификацию эпоксиобработанного бычьего перикарда, используемого в производстве биопротезов клапанов сердца.

   Материал и методы

   Материал и методы. Материалом для исследования стали лоскуты эпоксиобработанного бычьего перикарда, фрагменты которых инкубировали в растворе бактериальной коллагеназы. Степень деградации образцов после обработки ферментом анализировали по потере массы и изменению механических свойств. Также образцы после протеолиза помещали в кальцинирующий раствор на три недели, далее определяя содержание в них кальция спектрофотометрическим методом. Контролем в экспериментах были фрагменты эпоксиобработанного перикарда, не подвергавшиеся воздействию коллагеназы.

   Результаты и их обсуждение. В среднем потеря массы фрагментов эпоксиобработанного перикарда при 24-часовой инкубации в коллагеназе составила около 8 %, что сопоставимо с указанными в литературе значениями для перикарда, стабилизированного глутаровым альдегидом. Также обработка ферментом привела к снижению предела прочности изучаемого материала (14,15 [13,08–16,58; 11,4–22,43] МПа (медиана [25-й процентиль – 75-й процентиль; минимум – максимум]) в контроле и 10,67 [7,37–11,6; 6,39–11,95] МПа в экспериментальной группе, p = 0,0003) и усилению его кальцификации в 1,6 раза (8,61 [6,58–9,81; 4,78–14,53] мг кальция/г ткани в контроле и 13,41 [10,58–17,27; 7,76–28,41] мг кальция/г ткани в экспериментальной группе, p = 0,0001).

   Заключение

   Заключение. Ферментная деградация коллагена в эпоксиобработанном бычьем перикарде способствует усилению его кальцификации in vitro. Полученные данные предполагают, что накопление коллагенолитических ферментов в створках ксеноперикардиальных биопротезов клапанов сердца является важным механизмом их структурной дегенерации.

   Aim of the study was to assess in vitro the impact of enzymatic degradation of collagen on the subsequent calcification of the epoxy-treated bovine pericardium used in the production of bioprosthetic heart valves.

   Material and methods

   Material and methods. The study involved epoxy-treated bovine pericardium patches, samples of which were incubated with bacterial collagenase solution. The degree of degradation of the samples after enzyme treatment was analyzed by mass loss and changes in mechanical properties. The samples were also subjected to proteolysis, and then placed in a calcification solution for 3 weeks. The calcium content was evaluated by spectrophotometry. The control group included epoxy-treated bovine pericardium patches that were not incubated with bacterial collagenase solution.

   Results and discussion. On average, the mass loss of studied samples was equal to 8 % during 24-hour incubation in collagenase, which is comparable to the values for glutaraldehyde-treated pericardium according to the literature data. Moreover, the enzyme treatment led to a decrease in the tensile strength of the studied material (14.15 [13.08–16.58; 11.4–22.43] MPa (median [25th percentile – 75th percentile; minimum – maximum]) in control group vs. 10.67 [7.37–11.6; 6.39–11.95] MPa in the study group, p = 0.0003) and increase in its calcification by 1.6 times (8.61 [6.58–9.81; 4.78–14.53] mg of calcium/g of tissue in the control group vs. 13.41 [10.58–17.27; 7.76–28.41] mg of calcium/g of tissue in the study group, p = 0.0001).

   Conclusions

   Conclusions. The enzymatic degradation of collagen in the epoxy-treated bovine pericardium enhances its calcification in vitro. The data obtained suggest that the accumulation of collagenolytic enzymes in the leaflets of xenopericardial bioprosthetic heart valves is an important mechanism of structural degeneration.

биопротезы клапанов сердцаструктурная дегенерация клапанапротеолизкальцификациябактериальная коллагеназамоделирование in vitrobioprosthetic heart valvesstructural valve degenerationproteolysiscalcificationbacterial collagenasein vitro modelingРабота выполнена в рамках фундаментальной темы ФГБНУ НИИ комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний № 0419-2022-0001 «Молекулярные, клеточные и биомеханические механизмы патогенеза сердечно-сосудистых заболеваний в разработке новых методов лечения заболеваний сердечно-сосудистой системы на основе персонифицированной фармакотерапии, внедрения малоинвазивных медицинских изделий, биоматериалов и тканеинженерных имплантатов»The research was funded by the Complex Program of Basic Research under the SB of RAS within the Basic Research Topic of Research Institute for Complex Issues of Cardiovascular Diseases No. 0419-2022-0001 “Discovering molecular, cellular and biomechanical mechanisms of cardiovascular diseases to develop novel approaches for their treatment, including personalized pharmacotherapy, minimally invasive surgery, composite biomaterials, and tissue-engineered cardiovascular implants”ReferencesBarbarash L., Rutkovskaya N., Barbarash O., Odarenko Y., Stasev A., Uchasova E. Prosthetic heart valve selection in women of childbearing age with acquired heart disease: a case report. J. Med. Case Rep. 2016;10:51. doi: 10.1186/s13256-016-0821-yBarbarash L., Rutkovskaya N., Barbarash O., Odarenko Y., Stasev A., Uchasova E. Prosthetic heart valve selection in women of childbearing age with acquired heart disease: a case report. J. Med. Case Rep. 2016;10:51. doi: 10.1186/s13256-016-0821-yCote N., Pibarot P., Clavel M.A. Incidence, risk factors, clinical impact, and management of bioprosthesis structural valve degeneration. Curr. Opin. Cardiol. 2017;32(2):123–129. doi: 10.1097/HCO.0000000000000372Cote N., Pibarot P., Clavel M.A. Incidence, risk factors, clinical impact, and management of bioprosthesis structural valve degeneration. Curr. Opin. Cardiol. 2017;32(2):123–129. doi: 10.1097/HCO.0000000000000372Marro M., Kossar A.P., Xue Y., Frasca A., Levy R.J., Ferrari G. Noncalcific mechanisms of bioprosthetic structural valve degeneration. J. Am. Heart Assoc. 2021;10(3):e018921. doi: 10.1161/JAHA.120.018921Marro M., Kossar A.P., Xue Y., Frasca A., Levy R.J., Ferrari G. Noncalcific mechanisms of bioprosthetic structural valve degeneration. J. Am. Heart Assoc. 2021;10(3):e018921. doi: 10.1161/JAHA.120.018921Kostyunin A.E., Glushkova T.V., Lobov A.A., Ovcharenko E.A., Zainullina B.R., Bogdanov L.A., Shishkova D.K., Markova V.E., Asanov M.A., Mukhamadiyarov R.A., … Kutikhin A.G. Proteolytic degradation is a major contributor to bioprosthetic heart valve failure. J. Am. Heart Assoc. 2023;12(1):e028215. doi: 10.1161/JAHA.122.028215Kostyunin A.E., Glushkova T.V., Lobov A.A., Ovcharenko E.A., Zainullina B.R., Bogdanov L.A., Shishkova D.K., Markova V.E., Asanov M.A., Mukhamadiyarov R.A., … Kutikhin A.G. Proteolytic degradation is a major contributor to bioprosthetic heart valve failure. J. Am. Heart Assoc. 2023;12(1):e028215. doi: 10.1161/JAHA.122.028215Shetty R., Pibarot P., Audet A., Janvier R., Dagenais F., Perron J., Couture C., Voisine P., Després J.P., Mathieu P. Lipid-mediated inflammation and degeneration of bioprosthetic heart valves. Eur. J. Clin. Invest. 2009;39(6):471–480. doi: 10.1111/j.1365-2362.2009.02132.xShetty R., Pibarot P., Audet A., Janvier R., Dagenais F., Perron J., Couture C., Voisine P., Després J.P., Mathieu P. Lipid-mediated inflammation and degeneration of bioprosthetic heart valves. Eur. J. Clin. Invest. 2009;39(6):471–480. doi: 10.1111/j.1365-2362.2009.02132.xZhuravleva I.Yu, Karpova E.V., Oparina L.A., Poveschenko O.V., Surovtseva M.A., Titov A.T., Ksenofontov A.L., Vasilieva M.B., Kuznetsova E.V., Bogachev-Prokophiev A.V., Trofimov B.A. Cross-linking method using pentaepoxide for improving bovine and porcine bioprosthetic pericardia: a multiparametric assessment study. Mater. Sci. Eng. C. Mater. Biol. Appl. 2021;118:111473. doi: 10.1016/j.msec.2020.111473Zhuravleva I.Yu, Karpova E.V., Oparina L.A., Poveschenko O.V., Surovtseva M.A., Titov A.T., Ksenofontov A.L., Vasilieva M.B., Kuznetsova E.V., Bogachev-Prokophiev A.V., Trofimov B.A. Cross-linking method using pentaepoxide for improving bovine and porcine bioprosthetic pericardia: a multiparametric assessment study. Mater. Sci. Eng. C. Mater. Biol. Appl. 2021;118:111473. doi: 10.1016/j.msec.2020.111473Christian A.J., Lin H., Alferiev I.S., Connolly J.M., Ferrari G., Hazen S.L., Ischiropoulos H., Levy R.J. The susceptibility of bioprosthetic heart valve leaflets to oxidation. Biomaterials. 2014;35(7):2097–2102. doi: 10.1016/j.biomaterials.2013.11.045Christian A.J., Lin H., Alferiev I.S., Connolly J.M., Ferrari G., Hazen S.L., Ischiropoulos H., Levy R.J. The susceptibility of bioprosthetic heart valve leaflets to oxidation. Biomaterials. 2014;35(7):2097–2102. doi: 10.1016/j.biomaterials.2013.11.045Sung H.W., Chen W.Y., Tsai C.C., Hsu H.L. In vitro study of enzymatic degradation of biological tissues fixed by glutaraldehyde or epoxy compound. J. Biomater. Sci. Polym. Ed. 1997;8(8):587–600. doi: 10.1163/156856297x00191Sung H.W., Chen W.Y., Tsai C.C., Hsu H.L. In vitro study of enzymatic degradation of biological tissues fixed by glutaraldehyde or epoxy compound. J. Biomater. Sci. Polym. Ed. 1997;8(8):587–600. doi: 10.1163/156856297x00191Ovcharenko E.A., Klyshnikov K.U., Glushkova Т.V., Batranin А.V., Rezvova М.А., Kudryavtseva Y.А., Barbarash L.S. Evaluation of a failed heart valve bioprosthesis using microcomputed tomography. Sovremennyye tekhnologii v meditsine = Modern Technologies in Medicine. 2017;9(3):15–22. doi: 10.17691/stm2017.9.3.02Ovcharenko E.A., Klyshnikov K.U., Glushkova Т.V., Batranin А.V., Rezvova М.А., Kudryavtseva Y.А., Barbarash L.S. Evaluation of a failed heart valve bioprosthesis using microcomputed tomography. Sovremennyye tekhnologii v meditsine = Modern Technologies in Medicine. 2017;9(3):15–22. doi: 10.17691/stm2017.9.3.02

The authors declare that there are no conflicts of interest present.