心臓弁

かつては、すべての心臓弁は単純な構造であり、一方向の血流は単に圧力勾配に応じた受動的な動きによってもたらされると考えられていました。この「受動構造」への理解が、「受動的な」機械弁および生体弁の代替品の開発につながりました。

心臓弁の構造と機能はより複雑であることが、現在では明らかになりつつあります。そのため、「能動型」心臓弁代替物の開発には、天然の心臓弁との構造と機能の大幅な類似性が前提となりますが、これは組織工学の発展により、将来的には極めて現実的になるでしょう。

心臓弁は、心内膜の形成過程において、間葉系組織の胚性原基から発達します。形態形成過程においては、房室管（三尖弁および僧帽弁）と心室流出路（大動脈弁および肺動脈弁）が形成されます。

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心臓弁はどのように配置されているのでしょうか?

弁への血液供給の研究は、N. ルシュカ (1852) によって開始されました。彼は心臓血管に造影剤を注入し、大動脈と肺動脈の房室弁と半月弁の弁尖に多数の血管を発見しました。同時に、病理解剖学および組織学に関する多くの文献には、変化のないヒトの心臓弁には血管が存在せず、弁に血管が出現するのは様々な病態過程（様々な病因による動脈硬化症や心内膜炎）においてのみであるという記述がありました。血管の欠如に関する情報は、主に組織学的研究に基づいていました。弁尖の自由部に血管がない場合、弁尖を洗浄する血漿から液体を濾過することによって栄養が供給されると考えられていました。数本の血管と横紋筋組織の繊維が、弁の基部と腱索に侵入していることが観察されました。

しかし、心臓血管にさまざまな染料（ゼラチン入り墨汁、ゼラチン入りビスマス、黒墨の水性懸濁液、カルミンまたはトリパンブルーの溶液）を注入すると、心臓血管が心房室弁、大動脈弁、肺動脈を心筋組織とともに貫通し、弁の自由端にわずかに届かないことが分かりました。

房室弁尖の緩い線維性結合組織では、心臓横紋筋組織の隣接領域の血管と吻合する個々の主要血管が見つかりました。

血管は弁の基部に最も多く存在し、自由部には比較的少ない数しか存在しません。

KI Kulchitsky ら (1990) によると、僧帽弁にはより大きな直径の動脈と静脈の血管が見られます。この弁の弁尖の基部には、主に主血管があり、毛細血管の狭いループ網が弁尖の基部まで浸透してその面積の 10% を占めています。三尖弁では、動脈血管の直径は僧帽弁よりも小さくなっています。この弁の弁尖には、主に散在する血管と比較的広いループ状の毛細血管があります。僧帽弁では、前尖に血液がより集中的に供給され、三尖弁では前尖と後尖が主要な閉鎖機能を果たします。成人の心臓の房室弁における動脈血管と静脈血管の直径の比は 1:1.5 です。毛細血管ループは多角形で、弁尖の基部に対して垂直に位置しています。血管は、心房側の内皮の下に位置する平面ネットワークを形成しています。血管は腱索にも存在し、腱索の長さの最大 30% の距離で右心室と左心室の乳頭筋から侵入しています。多数の血管が腱索の基部で弓状のループを形成しています。大動脈と肺動脈幹の心臓弁は、血液供給の点で房室弁とは大きく異なります。比較的小径の主要血管は、大動脈弁と肺動脈幹弁の半月弁の基部に近づいています。これらの血管の短い枝は、不規則な楕円形と多角形の毛細血管ループで終わります。それらは主に半月弁の基部付近に位置しています。大動脈弁と肺動脈弁の基部の静脈血管も、房室弁の基部の静脈血管よりも直径が小さい。成人の心臓における大動脈弁と肺動脈弁の動脈血管と静脈血管の直径の比は1:1.4である。太い血管からは短い側枝が伸び、不規則な楕円形や多角形の毛細血管のループで終わる。

加齢とともに、コラーゲン繊維と弾性繊維の両方を含む結合組織線維が粗大化し、遊離した線維性未形成結合組織の量が減少し、房室弁尖および大動脈弁と肺動脈弁の半月弁の組織が硬化します。弁における心筋線維の長さが減少し、その結果、心筋線維の量と心臓弁を貫通する血管の数が減少します。これらの変化により、心臓弁は弾力性と弾力性を失い、弁閉鎖機構と血行動態に影響を及ぼします。

心臓弁には毛細リンパ管のネットワークと、弁を備えた少数のリンパ管があります。 弁尖の毛細リンパ管は特徴的な外観をしています。その内腔は非常に不均一で、同じ毛細血管が異なる場所では直径が異なります。 複数の毛細血管が合流する場所では、拡張、つまりさまざまな形状の小腔が形成されます。 ネットワークのループは不規則な多角形であることが多く、楕円形や円形になることはそれほど多くありません。 リンパネットワークのループは閉じていないことが多く、毛細リンパ管は盲目的に終了します。 毛細リンパ管のループは、ほとんどの場合、弁尖の自由端から基部に向かう方向に向いています。 場合によっては、房室弁の弁尖に2層の毛細リンパ管ネットワークが見つかりました。

心内膜神経叢は、主に内皮下の様々な層に分布しています。弁尖の自由縁では、神経線維は主に放射状に配置され、腱索の神経線維と結合しています。弁尖基部付近では、大きな網目状の神経叢が形成され、線維輪周囲の神経叢と結合しています。半月弁では、心内膜神経網はより疎ですが、弁の付着部では密で多層構造になります。

心臓弁の細胞構造

弁の構造維持を担う弁間質細胞は、弁基質全体に広がる多数の微細突起を有し、細長い形状をしています。弁間質細胞には、形態と構造が異なる 2 つの集団があります。1 つは収縮性があり、収縮性線維の存在が特徴で、もう 1 つは分泌性があり、よく発達した小胞体とゴルジ体を持っています。収縮機能は血行動態圧に抵抗し、さらに心臓と骨格筋の両方の収縮タンパク質（α-ミオシンとβ-ミオシンの重鎖、およびトロポニンのさまざまなアイソフォームを含む）の産生によってサポートされています。心臓弁尖の収縮は、いくつかの血管作動薬に反応して実証されており、弁機能の正常化には協調的な生物学的刺激が必要であることを示唆しています。

間質細胞は、心臓弁などの構造物の修復システムにおいても不可欠な構成要素です。弁葉の絶え間ない動きとそれに伴う結合組織の変形は損傷を引き起こし、弁間質細胞は弁の完全性を維持するためにこれに反応します。この修復プロセスは正常な弁機能に不可欠であると考えられており、現在の人工弁モデルではこれらの細胞が欠如していることが、生体弁の構造的損傷の一因となっていると考えられます。

間質細胞における重要な研究分野の一つは、接着斑分子を介した間質細胞と周囲のマトリックスとの相互作用の研究です。接着斑は、細胞骨格とマトリックスタンパク質をインテグリンを介して結びつける、特殊な細胞-マトリックス相互作用部位です。また、シグナル伝達部位としても機能し、細胞外マトリックスからの機械的情報を中継することで、細胞接着、遊走、増殖、分化など、様々な反応を引き起こします。弁膜間質細胞の細胞生物学を理解することは、これらの細胞が互いに、そして周囲の環境と相互作用するメカニズムを解明し、この機能を人工弁において再現するために不可欠です。

心臓弁の組織工学における有望な方向性の発展に関連して、様々な技術を用いて間質細胞の研究が行われています。細胞骨格の存在は、ビメンチン、デスミン、トロポニン、α-アクチン、平滑筋ミオシン、α-ミオシンおよびβ-ミオシン重鎖、心筋ミオシン軽鎖2、α-チューブリンおよびβ-チューブリンの染色によって確認されます。細胞収縮性は、エピネフリン、アンジオテンシンII、ブラジキニン、カルバコール、塩化カリウム、内皮Iに対する陽性反応によって確認されます。細胞間の相互関係は、機能的ギャップ相互作用によって決定され、カルボキシフルオレセインのマイクロインジェクションによって検証されます。マトリックス分泌は、プロリル-4-ヒドロキシラーゼ/コラーゲンII型、フィブロネクチン、コンドロイチン硫酸、ラミニンの染色によって確認されます。神経支配は運動神経終末の近接性によって確立されており、これは神経ペプチドYチロシン水酸化酵素、アセチルコリンエステラーゼ、血管作動性腸管ポリペプチド、サブスタンスP、カプシカム遺伝子関連ペプチドの活性に反映されています。分裂促進因子は、血小板由来成長因子、塩基性線維芽細胞成長因子、セロトニン（5-HT）によって推定されます。研究対象とした間質細胞線維芽細胞は、不完全な基底膜、細長い細胞質突起、基質との密接な結合、よく発達した凹凸のある小胞体とゴルジ体、豊富な微小フィラメント、接着結合の形成を特徴としています。

弁心内膜細胞は、血管内皮細胞と同様に、各心臓弁の周囲に機能的な血栓形成性鞘を形成します。広く用いられている弁置換術では、心内膜の保護機能が失われるため、人工弁への血小板およびフィブリンの沈着、細菌感染の発生、組織の石灰化につながる可能性があります。これらの細胞のもう一つの機能は、内皮細胞による平滑筋細胞の制御と同様に、弁膜下層の間質細胞の制御であると考えられます。内皮細胞と隣接細胞の間には複雑な相互作用が存在し、これは内皮細胞から分泌される可溶性因子によって部分的に媒介されています。これらの細胞は、内腔側に微小突起で覆われた巨大な表面を形成し、循環血液中の代謝物質への露出と相互作用の可能性を高めます。

内皮は、血流による血管壁の剪断応力によって形態的および機能的にしばしば差異を示すが、これは弁内膜細胞にも当てはまり、細長い形または多角形の形状をとる。細胞構造の変化は、細胞骨格成分に対する局所血行動態の作用、または下にある細胞外マトリックスの変化によって引き起こされる二次的影響により発生する可能性がある。超微細構造レベルでは、弁内膜細胞は細胞間結合、形質小胞、粗面小胞体、およびゴルジ体を有する。弁内膜細胞は、生体内および生体外の両方でフォン・ヴィレブランド因子を産生するが、血管内皮に特徴的な細胞小器官であるヴァイベル・パラーデ小体（フォン・ヴィレブランド因子を含む特定の顆粒）を欠いている。弁内膜細胞は、強力な接合、機能的なギャップ相互作用、および重なり合う辺縁ひだを特徴とする。

心内膜細胞はin vitroにおいても代謝活性を維持しており、フォン・ヴィレブランド因子、プロスタサイクリン、一酸化窒素合成酵素を産生し、アンジオテンシン変換酵素活性を示し、免疫応答の発達において単核細胞との結合に重要な接着分子ICAM-1およびELAM-1を集中的に分泌します。組織工学を用いて人工弁を作製するための理想的な細胞培養においては、これらすべてのマーカーを考慮する必要がありますが、弁膜心内膜細胞自体の免疫刺激能が、その使用を制限する可能性があります。

心臓弁の細胞外マトリックスは、線維状のコラーゲンとエラスチン高分子、プロテオグリカン、糖タンパク質で構成されています。弁の乾燥重量のうち、コラーゲンは60%、エラスチンは10%、プロテオグリカンは20%を占めています。コラーゲン成分は弁の主要な機械的安定性を担っており、I型コラーゲン（74%）、II型コラーゲン（24%）、V型コラーゲン（2%）が代表的です。コラーゲン繊維の束はエラスチン鞘に囲まれており、この鞘がコラーゲン繊維間の相互作用を媒介しています。プロテオグリカン分子のグリコサミノグリカン側鎖はゲル状物質を形成する傾向があり、このゲル状物質内で他のマトリックス分子が相互作用して恒久的な結合を形成し、他の成分が沈着します。ヒト心臓弁のグリコサミノグリカンは、主にヒアルロン酸で構成され、少量の皮膚硫酸、コンドロイチン4硫酸、コンドロイチン6硫酸、そしてごく微量のヘパラン硫酸が含まれています。マトリックス組織のリモデリングと再生は、マトリックスメタロプロテアーゼ（MMP）とその組織インヒビター（TI）によって制御されています。これらの分子は、より広範な生理学的および病理学的プロセスにも関与しています。間質性コラーゲナーゼ（MMP-1、MMP-13）、ゼラチナーゼ（MMP-2、MMP-9）、そしてそれらの組織インヒビター（TI-1、TI-2、TI-3）などのメタロプロテアーゼは、すべての心臓弁に存在します。メタロプロテアーゼの過剰産生は、心臓弁の病的状態の特徴です。

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心臓弁とその形態学的構造

心臓弁は、形態的に異なり、機能的に重要な弁葉基質の 3 つの層（線維性層、海綿状層、心室層）で構成されています。

線維層は、コラーゲン線維の層から成り、弁尖の耐荷重性骨格を形成します。これらの線維は、動脈弁が閉じる際に伸縮できるように、放射状に襞状に配列されています。線維層は、これらの弁の出口外表面付近に位置しています。房室弁の線維層は、腱索のコラーゲン束の延長として機能し、海綿状（入口）層と心室状（出口）層の間に位置しています。

線維層と心室層の間には海綿状層（スポンジオサ）があります。海綿状層は、粘性媒体中に分散した、組織化の進んでいない結合組織で構成されています。この層の主な基質成分は、ランダムに配向したコラーゲンと薄いエラスチン層を含むプロテオグリカンです。プロテオグリカン分子の側鎖は強い負電荷を帯びており、これが高い水結合能をもたらし、多孔質の基質ゲルを形成します。基質の海綿状層は、心臓弁の弁尖への機械的ストレスを軽減し、弁尖の柔軟性を維持します。

心室層は他の層よりもはるかに薄く、弾性繊維が豊富に含まれており、組織が一定の変形に耐えられるようにしています。エラスチンは海綿状の構造を持ち、コラーゲン繊維を包み込み、連結することで、コラーゲン繊維を中立的な折り畳み状態に保ちます。弁の入口層（動脈弁の場合は心室層、房室弁の場合は海綿状）には、出口層よりも多くのエラスチンが含まれており、弁尖が閉じる際の水圧衝撃を緩和します。コラーゲンとエラスチンのこの関係により、弁尖は安定した変形をすることなく最大40%まで伸長することができます。小さな荷重を受けると、この層のコラーゲン構造は荷重の方向に配向され、それ以上の荷重増加に対する耐性が向上します。

したがって、心臓弁を単なる心内膜の複製と考えるのは単純化されているだけでなく、根本的に誤りです。心臓弁は、横紋筋線維、血管、リンパ管、神経要素を含む複雑な器官です。弁は構造的にも機能的にも、心臓のあらゆる構造に不可欠な要素です。正常な弁機能の解析には、細胞組織だけでなく、細胞同士や基質との相互作用も考慮する必要があります。こうした研究から得られた知見は、組織工学を用いた人工弁の設計・開発において大きな役割を果たしています。