cardiotomskСибирский журнал клинической и экспериментальной медициныSiberian Journal of Clinical and Experimental Medicine2713-29272713-265XTSU publishing10.29001/2073-8552-2024-39-2-166-174cardiotomsk-2320Research ArticleЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯEXPERIMENTAL STUDIESГистопатологические параллели в нативных створках аортальных клапанов и биопротезах митральных клапанов при инфекционном эндокардите и приобретенных пороках развитияHistopathological parallels in infective endocarditis and degenerative defects of native heart valves and their bioprostheseshttps://orcid.org/0000-0002-4467-8732СиницкаяА. В.SinitskayaA. V.

Синицкая Анна Викторовна, канд. биол. наук, научный сотрудник, лаборатория геномной медицины, отдел экспериментальной медицины

650002, Кемерово, бульвар имени академика Л.С. Барбараша, 6

Anna V. Sinitskaya, Cand. Sci. (Biol.), Research Scientist, Laboratory of Genomic Medicine

6, Academician Barbarash bulvar, Kemerovo, 650002

cepoav1991@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-6099-0315КостюнинА. Е.KostyuninA. E.

Костюнин Александр Евгеньевич, канд. биол. наук, научный сотрудник, лаборатория новых биоматериалов, отдел экспериментальной медицины

650002, Кемерово, бульвар имени академика Л.С. Барбараша, 6

Alexander E. Kostyunin, Cand. Sci. (Biol.), Research Scientist, Laboratory of New Biomaterials

6, Academician Barbarash bulvar, Kemerovo, 650002

rhabdophis_tigrina@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0747-2495АсановМ. А.AsanovM. A.

Асанов Максим Айдарович, младший научный сотрудник, лаборатория геномной медицины, отдел экспериментальной медицины

650002, Кемерово, бульвар имени академика Л.С. Барбараша, 6

Maxim A. Asanov, Junior Research Scientist, Laboratory of Genomic Medicine

6, Academician Barbarash bulvar, Kemerovo, 650002

asmaks988@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-9714-4080ХуторнаяМ. В.KhutornayaM. V.

Хуторная Мария Владимировна, младший научный сотрудник, лаборатория геномной медицины, отдел экспериментальной медицины

650002, Кемерово, бульвар имени академика Л.С. Барбараша, 6

Mariya V. Khutornaya, Junior Research Scientist, Laboratory of Genomic Medicine

6, Academician Barbarash bulvar, Kemerovo, 650002

masha_hut@mail.ruПоддубнякА. О.PoddubnyakA. O.

Поддубняк Алена Олеговна, лаборант-исследователь, лаборатория геномной медицины, отдел экспериментальной медицины

650002, Кемерово, бульвар имени академика Л.С. Барбараша, 6

Alena O. Poddubnyak, Laboratory Assistant Researcher, Laboratory of Genomic Medicine

6, Academician Barbarash bulvar, Kemerovo, 650002

alyona.poddubnyak@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-3002-2863ПонасенкоА. В.PonasenkoA. V.

Понасенко Анастасия Валериевна, канд. мед. наук, заведующий лабораторией геномной медицины, отдел экспериментальной медицины

650002, Кемерово, бульвар имени академика Л.С. Барбараша, 6

Anastasia V. Ponasenko, Cand. Sci. (Med.), Head of Laboratory of Genomic Medicine

6, Academician Barbarash bulvar, Kemerovo, 650002

ponaav@kemcardio.ruНаучно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний (НИИ КПССЗ)РоссияFSBI Research Institute for Complex Issues of Cardiovascular DiseasesRussian Federation202410072024392166174Copyright © Синицкая А.В., Костюнин А.Е., Асанов М.А., Хуторная М.В., Поддубняк А.О., Понасенко А.В., 20242024Синицкая А.В., Костюнин А.Е., Асанов М.А., Хуторная М.В., Поддубняк А.О., Понасенко А.В.Sinitskaya A.V., Kostyunin A.E., Asanov M.A., Khutornaya M.V., Poddubnyak A.O., Ponasenko A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.sibjcem.ru/jour/article/view/2320Обоснование

Обоснование. Возрастает потребность в пристальном изучении гистопатологических событий и механизмов, сопровождающих инфекционный процесс в нативных клапанах сердца и их биологических протезах (БП) в связи с изменчивостью клинической картины инфекционного эндокардита (ИЭ).

Цель исследования

Цель исследования: изучение клеточной инфильтрации пораженных инфекцией аортальных клапанов (АК) и БП, а также поиск общих физиологических особенностей или различий нативных и протезных клапанов, имеющих дегенеративные изменения в створчатом аппарате.

Материал и методы

Материал и методы. Исследованы створки нативных АК, удаленных по причине ИЭ (n = 10) или кальцинирующего аортального стеноза (КАС) (n = 11), а также створки БП, удаленные из митральной позиции при репротезировании из-за ИЭ (n = 5) или структурной дегенерации (СД) (n = 10). Гистологические срезы подготавливали на микротомкриостате. Методом иммуногистохимического анализа проводили типирование клеток путем окрашивания антителами к маркерам CD45, CD68 CD3, CD19, MPO, CD31. Путем окрашивания гистологических срезов по Граму осуществляли визуализацию бактерий. Экспрессию миелопероксидазы (MPO) в исследуемых образцах определяли методом вестерн-блоттинга.

Результаты

Результаты. Ткани нативных АК с ИЭ характеризуются колониями грамположительных кокков, а также скоплениями грамотрицательных палочковидных бактерий. В БП с признаками СД встречались смешанные колонии, состоящие из грамположительных кокков и грамотрицательных палочек. Иммунофенотипирование продемонстрировало инфильтрацию клеток лейкоцитарного ряда (CD45+) во всех изученных клапанах. В створках АК и БП с инфекционным поражением, а также БП с признаками СД воспалительные инфильтраты состояли из макрофагов (CD68+) и нейтрофилов (MPO+), а также единичных T-лимфоцитов (CD3+). В кальцинированных АК нейтрофилы отсутствовали, а скопления иммунных клеток представлены макрофагами и единичными Т-лимфоцитами. В обоих группах АК в фиброзном слое отмечены единичные CD31+ (маркер эндотелия сосудов) клетки. Наибольшая экспрессия MPO наблюдалась в створках АК с ИЭ по сравнению с другими исследуемыми створками.

Заключение

Заключение. Для АК, пораженных инфекцией, характерна агрессивная инфильтрация нейтрофилами по сравнению с нативными клапанами с КАС. В створках БП также выявлены нейтрофилы и бактериальные агенты вне зависимости от диагностированного ИЭ. Эти наблюдения указывают на вовлеченность бактериальной инвазии в развитие СД биологического элемента БП и свидетельствуют о необходимости подробного изучения этого явления.

Background

Background. Detailed study of the histopathological events and mechanisms accompanying the infectious process in native heart valves and their biological prostheses is very important due to the variability of clinical manifestation of infective endocarditis (IE).

Aim

Aim: To study cellular infiltration of aortic heart valves (AVs) and bioprosthetic heart valves (BPs) affected by infection, as well as to search for common patterns or differences of native and BPs characterized by degenerative changes in the leaflet apparatus.

Material and Methods

Material and Methods. We studied the leaflets of AVs affected IE (n = 10) or calcific aortic stenosis (CAS) (n = 11), as well as the leaflets of BPs affected by IE (n = 5) or structural valve degeneration (SVD) (n = 10) and removed from the mitral position during re-prosthetics surgery. Histological sections were prepared using a cryostat microtome. Cell typing was performed by staining with antibodies to the CD45, CD68 CD3, CD19, myeloperoxidase (MPO) and CD31 markers using immunohistochemical analysis. Bacteria were visualized by Gram staining of histological sections. The expression of MPO in the studied samples was determined by Western blotting.

Results

Results. Colonies of gram-positive cocci and gram-negative rod-shaped bacteria were registered into native AKs affected by IE. BPs affected by SVD are characterized by the presence of mixed colonies of gram-positive cocci and gram-negative rod-shaped bacteria. Immunophenotyping demonstrated leukocyte infiltration (CD45+) in all studied heart valves. AVs and BPs with infectious lesions and BPs affected by SVD were characterized by inflammatory infiltrates included macrophages (CD68+), neutrophils (MPO+) and single T-lymphocytes (CD3+). In calcified AVs, we found no neutrophils; the clusters of immune cells were represented by macrophages and single T-lymphocytes. In both groups of AVs, single cells positive for the vascular endothelial marker CD31 were noted in the fibrous layer. The highest expression of MPO was observed in AVs affected by IE in comparison to other studied valves.

Conclusion

Conclusion. AVs affected by infection compared to native heart valves affected by CAS are characterized by aggressive infiltration by neutrophils. Neutrophils and bacterial agents were also detected in BPs regardless of the diagnosed IE. These results indicate the involvement of bacterial invasion in the development of SVD of the biological element of BPs and indicate the necessarily for a detailed study of this phenomenon.

клапаны сердцабиологические протезы клапанов сердцаинфекционный эндокардиткальцинирующий аортальный стенозструктурная дегенерация клапановиммуногистохимиявестерн-блоттингheart valvesbiological prosthetic heart valvesinfective endocarditiscalcific aortic stenosisstructural valve degenerationimmunohistochemistryimmunoblottingисследование выполнено на средства гранта Российского научного фонда № 23-75- 10020 «Молекулярно-генетические основы патогенеза инфекционного эндокардита нативных клапанов сердца и их биопротезов», https://rscf.ru/project/23-75-10020/.the study was supported by the Grant of Russian Science Foundation No. 23-75-10020 “Molecular genetic basis of the pathogenesis of infective endocarditis in native and bioprosthetic heart valves”, https://rscf.ru/project/23-75-10020/.ReferencesCoffey S., Roberts-Thomson R., Brown A., Carapetis J., Chen M., Enriquez-Sarano M. et al. Global epidemiology of valvular heart disease. Nat. Rev. Cardiol. 2021;18(12):853–864. DOI: 10.1038/s41569-021-00570-z.Coffey S., Roberts-Thomson R., Brown A., Carapetis J., Chen M., Enriquez-Sarano M. et al. Global epidemiology of valvular heart disease. Nat. Rev. Cardiol. 2021;18(12):853–864. DOI: 10.1038/s41569-021-00570-z.Lindman B.R., Clavel M.A., Mathieu P., Iung B., Lancellotti P., Otto C.M. et al. Calcific aortic stenosis. Nat. Rev. Dis. Primers. 2016;2:16006. DOI: 10.1038/nrdp.2016.6.Lindman B.R., Clavel M.A., Mathieu P., Iung B., Lancellotti P., Otto C.M. et al. Calcific aortic stenosis. Nat. Rev. Dis. Primers. 2016;2:16006. DOI: 10.1038/nrdp.2016.6.Cahill T.J., Baddour L.M., Habib G., Hoen B., Salaun E., Pettersson G.B. et al. Challenges in infective endocarditis. J. Am. Coll. Cardiol. 2017;69:325–344. DOI: 10.1016/j.jacc.2016.10.066.Cahill T.J., Baddour L.M., Habib G., Hoen B., Salaun E., Pettersson G.B. et al. Challenges in infective endocarditis. J. Am. Coll. Cardiol. 2017;69:325–344. DOI: 10.1016/j.jacc.2016.10.066.Kostyunin A.E., Glushkova T.V., Lobov A.A., Ovcharenko E.A., Zainullina B.R., Bogdanov L.A. et al. Proteolytic degradation is a major contributor to bioprosthetic heart valve failure. J. Am. Heart Assoc. 2023;12(1):e028215. DOI: 10.1161/JAHA.122.028215.Kostyunin A.E., Glushkova T.V., Lobov A.A., Ovcharenko E.A., Zainullina B.R., Bogdanov L.A. et al. Proteolytic degradation is a major contributor to bioprosthetic heart valve failure. J. Am. Heart Assoc. 2023;12(1):e028215. DOI: 10.1161/JAHA.122.028215.Castelli J.B., Almeida G., Siciliano R.F. Sudden death in infective endocarditis. Autops. Case Rep. 2016;6(3):17–22. DOI: 10.4322/acr.2016.045.Castelli J.B., Almeida G., Siciliano R.F. Sudden death in infective endocarditis. Autops. Case Rep. 2016;6(3):17–22. DOI: 10.4322/acr.2016.045.Goldins N.R., Meidrops K., Apine L., Petrosina E., Stradins P., Groma V. Neutrophilic leukocytes and neutrophil extracellular traps in native aortic valve endocarditis. Proceedings of the Latvian Academy of Sciences (Section B). 2023;77(1):41–48. DOI: 10.2478/prolas-2023-0005.Goldins N.R., Meidrops K., Apine L., Petrosina E., Stradins P., Groma V. Neutrophilic leukocytes and neutrophil extracellular traps in native aortic valve endocarditis. Proceedings of the Latvian Academy of Sciences (Section B). 2023;77(1):41–48. DOI: 10.2478/prolas-2023-0005.Jung C.J., Yeh C.Y., Hsu R.B., Lee C.M., Shun C.T., Chia J.S. Endocarditis pathogen promotes vegetation formation by inducing intravascular neutrophil extracellular traps through activated platelets. Circulation. 2015;131(6):571–581. DOI: 10.1161/CIRCULATIONAHA.114.011432.Jung C.J., Yeh C.Y., Hsu R.B., Lee C.M., Shun C.T., Chia J.S. Endocarditis pathogen promotes vegetation formation by inducing intravascular neutrophil extracellular traps through activated platelets. Circulation. 2015;131(6):571–581. DOI: 10.1161/CIRCULATIONAHA.114.011432.Habib G., Lancellotti P., Erba P.A., Sadeghpour A., Meshaal M., Sambola A., et al. The ESC-EORP EURO-ENDO (European Infective Endocarditis) registry. Eur. Heart J. Qual. Care Clin. Outcomes. 2019;5(3):202–207. DOI: 10.1093/ehjqcco/qcz018.Habib G., Lancellotti P., Erba P.A., Sadeghpour A., Meshaal M., Sambola A., et al. The ESC-EORP EURO-ENDO (European Infective Endocarditis) registry. Eur. Heart J. Qual. Care Clin. Outcomes. 2019;5(3):202–207. DOI: 10.1093/ehjqcco/qcz018.Tarkin J.M., Chen W., Dweck M.R., Dilsizian V. Molecular imaging of valvular diseases and cardiac device infection. Circ. Cardiovasc. Imaging. 2023;16(1):e014652. DOI: 10.1161/CIRCIMAGING.122.014652.Tarkin J.M., Chen W., Dweck M.R., Dilsizian V. Molecular imaging of valvular diseases and cardiac device infection. Circ. Cardiovasc. Imaging. 2023;16(1):e014652. DOI: 10.1161/CIRCIMAGING.122.014652.Senage T., Paul A., Le Tourneau T., Fellah-Hebia I., Vadori M., Bashir S. et al. The role of antibody responses against glycans in bioprosthetic heart valve calcification and deterioration. Nat. Med. 2022;28(2):283– 294. DOI: 10.1038/s41591-022-01682-w.Senage T., Paul A., Le Tourneau T., Fellah-Hebia I., Vadori M., Bashir S. et al. The role of antibody responses against glycans in bioprosthetic heart valve calcification and deterioration. Nat. Med. 2022;28(2):283– 294. DOI: 10.1038/s41591-022-01682-w.Fowler V.G. Jr., Durack D.T., Selton-Suty C., Athan E., Bayer A.S., Chamis A.L. et al. The 2023 Duke-International Society for Cardiovascular Infectious Diseases criteria for infective endocarditis: updating the modified Duke criteria. Clin. Infect. Dis. 2023;77(4):518–526. DOI: 10.1093/cid/ciad271.Fowler V.G. Jr., Durack D.T., Selton-Suty C., Athan E., Bayer A.S., Chamis A.L. et al. The 2023 Duke-International Society for Cardiovascular Infectious Diseases criteria for infective endocarditis: updating the modified Duke criteria. Clin. Infect. Dis. 2023;77(4):518–526. DOI: 10.1093/cid/ciad271.Liesenborghs L., Meyers S., Vanassche T., Verhamme P. Coagulation: At the heart of infective endocarditis. J. Thromb. Haemost. 2020;18(5):995– 1008. DOI: 10.1111/jth.14736.Liesenborghs L., Meyers S., Vanassche T., Verhamme P. Coagulation: At the heart of infective endocarditis. J. Thromb. Haemost. 2020;18(5):995– 1008. DOI: 10.1111/jth.14736.Meidrops K., Groma V., Goldins N.R., Apine L., Skuja S., Svirskis S. et al. Understanding Bartonella-associated infective endocarditis: examining heart valve and vegetation appearance and the role of neutrophilic leukocytes. Cells. 2023;13(1):43. DOI: 10.3390/cells13010043.Meidrops K., Groma V., Goldins N.R., Apine L., Skuja S., Svirskis S. et al. Understanding Bartonella-associated infective endocarditis: examining heart valve and vegetation appearance and the role of neutrophilic leukocytes. Cells. 2023;13(1):43. DOI: 10.3390/cells13010043.Meyers S., Lox M., Kraisin S., Liesenborghs L., Martens C.P., Frederix L. et al. Neutrophils protect against Staphylococcus aureus endocarditis progression independent of extracellular trap release. Arterioscler. Thromb. Vasc. Biol. 2023;43(2):267–285. DOI: 10.1161/ATVBAHA.122.317800.Meyers S., Lox M., Kraisin S., Liesenborghs L., Martens C.P., Frederix L. et al. Neutrophils protect against Staphylococcus aureus endocarditis progression independent of extracellular trap release. Arterioscler. Thromb. Vasc. Biol. 2023;43(2):267–285. DOI: 10.1161/ATVBAHA.122.317800.Liu Y., Jiang P., An L., Zhu M., Li J., Wang Y. et al. The role of neutrophil elastase in aortic valve calcification. J. Transl. Med. 2022;20(1);167. DOI: 10.1186/s12967-022-03363-1.Liu Y., Jiang P., An L., Zhu M., Li J., Wang Y. et al. The role of neutrophil elastase in aortic valve calcification. J. Transl. Med. 2022;20(1);167. DOI: 10.1186/s12967-022-03363-1.Stark K., Massberg S. Interplay between inflammation and thrombosis in cardiovascular pathology. Nat. Rev. Cardiol. 2021;18:666–682. DOI: 10.1038/s41569-021-00552-1.Stark K., Massberg S. Interplay between inflammation and thrombosis in cardiovascular pathology. Nat. Rev. Cardiol. 2021;18:666–682. DOI: 10.1038/s41569-021-00552-1.Wang L., Luqmani R., Udalova I.A. The role of neutrophils in rheumatic disease-associated vascular inflammation. Nat. Rev. Rheumatol. 2022;18(3):158–170. DOI: 10.1038/s41584-021-00738-4.Wang L., Luqmani R., Udalova I.A. The role of neutrophils in rheumatic disease-associated vascular inflammation. Nat. Rev. Rheumatol. 2022;18(3):158–170. DOI: 10.1038/s41584-021-00738-4.Broeders W., Bekkering S., El Messaoudi S., Joosten L.A.B., van Royen N., Riksen N.P. Innate immune cells in the pathophysiology of calcific aortic valve disease: lessons to be learned from atherosclerotic cardiovascular disease? Basic Res. Cardiol. 2022;117(1):28. DOI: 10.1007/s00395-022-00935-6.Broeders W., Bekkering S., El Messaoudi S., Joosten L.A.B., van Royen N., Riksen N.P. Innate immune cells in the pathophysiology of calcific aortic valve disease: lessons to be learned from atherosclerotic cardiovascular disease? Basic Res. Cardiol. 2022;117(1):28. DOI: 10.1007/s00395-022-00935-6.Bartoli-Leonard F., Zimmer J., Aikawa E. Innate and adaptive immunity: the understudied driving force of heart valve disease. Cardiovasc. Res. 2023;117(13):2506–2524. DOI: 10.1093/cvr/cvab273.Bartoli-Leonard F., Zimmer J., Aikawa E. Innate and adaptive immunity: the understudied driving force of heart valve disease. Cardiovasc. Res. 2023;117(13):2506–2524. DOI: 10.1093/cvr/cvab273.Oberbach A., Friedrich M., Lehmann S., Schlichting N., Kullnick Y., Gräber S. et al. Bacterial infiltration in structural heart valve disease. J. Thorac. Cardiovasc. Surg. 2020; 159(1):116–124.e4. DOI: 10.1016/j. jtcvs.2019.02.019.Oberbach A., Friedrich M., Lehmann S., Schlichting N., Kullnick Y., Gräber S. et al. Bacterial infiltration in structural heart valve disease. J. Thorac. Cardiovasc. Surg. 2020; 159(1):116–124.e4. DOI: 10.1016/j. jtcvs.2019.02.019.

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