cardiotomskСибирский журнал клинической и экспериментальной медициныSiberian Journal of Clinical and Experimental Medicine2713-29272713-265XTSU publishing10.29001/2073-8552-2024-39-2-175-182cardiotomsk-2321Research ArticleЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯEXPERIMENTAL STUDIESБессимптомная бактериальная колонизация как причина воспалительной инфильтрации биопротезов клапанов сердца на поздних сроках их функционированияAsymptomatic bacterial invasion as the reason for inflammation in bioprosthetic heart valves on later stages of their functioninghttps://orcid.org/0000-0001-6099-0315КостюнинА. Е.KostyuninA. E.

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

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/0000-0003-4890-0393ГлушковаТ. В.GlushkovaT. V.

Глушкова Татьяна Владимировна, канд. биол. наук, старший научный сотрудник, лаборатория новых биоматериалов

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

Tatyana V. Glushkova, Cand. Sci. (Biol.), Senior Research Scientist, Laboratory of New Biomaterials

6, Academician Barbarash bulvar, Kemerovo, 650002,

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

Асанов Максим Айдарович, младший научный сотрудник, лаборатория геномной 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/0000-0002-0033-9376АкентьеваТ. Н.AkentyevaT. N.

Акентьева Татьяна Николаевна, младший научный сотрудник, лаборатория новых биоматериалов

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

Tatiana N. Akentyeva, Junior Research Scientist, Laboratory of New Biomaterials

6, Academician Barbarash bulvar, Kemerovo, 650002,

t.akentyeva@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3211-1250КлышниковК. Ю.KlyshnikovK. Yu.

Клышников Кирилл Юрьевич, канд. мед. наук, научный сотрудник, лаборатория новых биоматериалов

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

Kirill Yu. Klyshnikov, Cand. Sci. (Med.), Research Scientist, Laboratory of New Biomaterials

6, Academician Barbarash bulvar, Kemerovo, 650002,

klyshnikovk@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-4405-8904РезвоваМ. А.RezvovaM. A.

Резвова Мария Александровна, младший научный сотрудник, лаборатория новых биоматериалов

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

Maria A. Rezvova, Junior Research Scientist, Laboratory of New Biomaterials

6, Academician Barbarash bulvar, Kemerovo, 650002,

rezvovamaria@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2404-2873ОнищенкоП. С.OnishchenkoP. S.

Онищенко Павел Сергеевич, младший научный сотрудник, лаборатория новых биоматериалов

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

Pavel S. Onishchenko, Junior Research Scientist, Laboratory of New Biomaterials

6, Academician Barbarash bulvar, Kemerovo, 650002,

onis.pavel@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-7477-3979ОвчаренкоЕ. А.OvcharenkoE. A.

Овчаренко Евгений Андреевич, канд. техн. наук, заведующий лабораторией новых биоматериалов

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

Evgeny A. Ovcharenko, Cand. Sci. (Tech.), Head of the Laboratory of New Biomaterials

6, Academician Barbarash bulvar, Kemerovo, 650002,

ov.eugene@gmail.comНаучно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний (НИИ КПССЗ)РоссияResearch Institute for Complex Issues of Cardiovascular DiseasesRussian Federation202410072024392175182Copyright © Костюнин А.Е., Глушкова Т.В., Асанов М.А., Акентьева Т.Н., Клышников К.Ю., Резвова М.А., Онищенко П.С., Овчаренко Е.А., 20242024Костюнин А.Е., Глушкова Т.В., Асанов М.А., Акентьева Т.Н., Клышников К.Ю., Резвова М.А., Онищенко П.С., Овчаренко Е.А.Kostyunin A.E., Glushkova T.V., Asanov M.A., Akentyeva T.N., Klyshnikov K.Y., Rezvova M.A., Onishchenko P.S., 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://www.sibjcem.ru/jour/article/view/2321Обоснование

Обоснование. Средняя долговечность биопротезов клапанов сердца ограничена 10–15 годами из-за структурной дегенерации их биологической составляющей. Одной из причин развития дегенеративных изменений в имплантатах является инфильтрация иммунными клетками. Как правило, воспаление развивается через несколько лет после биопротезирования, что плохо согласуется с гипотезой иммунного отторжения, вызванного остаточной иммунногенностью протезной биоткани. Мы предположили, что главным стимулом иммунного ответа на поздних сроках функционирования биопротезов становится их бессимптомная колонизация бактериальными агентами.

Цель

Цель: исследовать серию биопротезов, эксплантированных из-за структурной дегенерации, на предмет бактериальной инвазии; выявить закономерности в локализации микроорганизмов и клеточных инфильтратов.

Материал и методы

Материал и методы. Изучено 23 биопротеза клапанов сердца, иссеченных при репротезировании по причине структурной дегенерации. Детекцию бактерий в образцах осуществляли путем окрашивания гистологических срезов по Граму и посредством ПЦР-анализа. Для фенотипирования иммунных клеток применяли метод иммуногистохимического окрашивания с использованием антител к CD45 (пан-лейкоцитарный маркер), CD68 (маркер макрофагов), CD3 (маркер Т-лимфоцитов) и эластазе нейтрофилов (ELA2). Компонентный состав тканей исследовали с помощью пентахромного окрашивания по Расселу – Мовату. Анализ окрашенных срезов выполняли методом световой микроскопии. Результаты. Все исследованные биопротезы имели классические морфолого-гистологические признаки структурной дегенерации (наличие перфораций и макрокальцификатов в основании и куполе створок, разрывов в комиссуральной зоне), но не протезного эндокардита (вегетации отсутствовали, результаты посевов крови и смывов были отрицательными). С помощью гистологического метода бактерии обнаружены в 19 из 23 изученных клапанов (82,6%), тогда как данные ПЦР-анализа указали на присутствие бактерий в 11 (47,8%) имплантатах (Streptococcus ssp. и Staphylococcus ssp. без видовой идентификации). Отмечена солокализация колоний микроорганизмов и мелких клеточных инфильтратов, составленных макрофагами (CD45+, CD68+) и нейтрофилами (CD45+, ELA2+).

Заключение

Заключение. Бессимптомная бактериальная колонизация биопротезов клапанов сердца широко распространена и может провоцировать клеточную инфильтрацию этих медицинских изделий.

Background

Background. The average lifespan of a bioprosthetic heart valves (BHVs) is limited to 10–15 years due to structural valve degeneration (SVD). One of the causes of SVD is the infiltration of immune cells. Inflammation like this usually develops several years after valve replacement, the cause of it remains unknown. Presumably, the main stimulus of the immune response is an asymptomatic colonization by bacterial agents.

Aim

Aim: To study bacterial invasion of BHVs explanted due to SVD, and to identify patterns in microorganism and cellular infiltrate localization.

Material and Methods

Material and Methods. 23 BHVs excised during replacement due to SVD were included in the study. The identification of bacteria in the samples was carried out by Gram staining and PCR analysis. Immunohistochemical staining with antibodies to markers CD45 (pan-leukocyte marker), CD68 (macrophage marker), CD3 (T-lymphocyte marker) and neutrophil elastase (ELA2) were used for phenotyping of immune cells. The composition of BHVs tissues was studied using Russell-Movat pentachrome staining.

Results

Results. All BHVs showed traditional signs of SVD (perforations and large calcifications at the base and dome of the leaflets, ruptures in the commissural zone), but had no signs of prosthetic valve endocarditis (no vegetation, blood culture and swab results were negative). Using the histological method, we detected bacterial cells in 19 of the 23 studied valves (82.6%), whereas PCR data indicated the presence of bacteria in 11 (47,8%) valves (Streptococcus ssp. and Staphylococcus ssp. without species identification). Moreover, we identified the co-localization of colonies of microorganisms and inflammatory infiltrates composed of macrophages (CD45+, CD68+) and neutrophils (CD45+, ELA2+).

Conclusion

Conclusion. Bacteria commonly cause asymptomatic colonization of BHVs which is strongly associated with inflammatory cell infiltration.

биопротезы клапанов сердцабактериальная инвазияпротезный эндокардитструктурная дегенерация клапанаbioprosthetic heart valvesbacterial colonizationprosthetic valve endocarditisstructural valve degenerationработа выполнена в рамках комплексной программы фундаментальных научных исследований СО РАН по фундаментальной теме НИИ КПССЗ № 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 Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences 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”.ReferencesOtto C.M., Nishimura R.A., Bonow R.O., Carabello B.A., Erwin J.P., Gentile F. et al. 2020 ACC/AHA guideline for the management of patients with valvular heart disease: a report of the American College of Cardiology/American Heart Association Joint Committee on clinical practice guidelines. Circulation. 2021;143(5):e72–e227. DOI: 10.1161/CIR.0000000000000923.Otto C.M., Nishimura R.A., Bonow R.O., Carabello B.A., Erwin J.P., Gentile F. et al. 2020 ACC/AHA guideline for the management of patients with valvular heart disease: a report of the American College of Cardiology/American Heart Association Joint Committee on clinical practice guidelines. Circulation. 2021;143(5):e72–e227. DOI: 10.1161/CIR.0000000000000923.Барбараш Л.С., Журавлева И.Ю. Эволюция биопротезов клапанов сердца: достижения и проблемы двух десятилетий. Комплексные проблемы сердечно-сосудистых заболеваний. 2012;(1):4–11. DOI: 10.17802/2306-1278-2012-1-4-11.Barbarash L.S., Zhuravleva I.Yu. Bioprosthetic heart valve evolution: two decades of advances and challenges. Complex Issues of Cardiovascular Diseases. 2012;(1):4–11. (In Russ.). DOI: 10.17802/2306-1278-2012-1-4-11.Pibarot P., Dumesnil J.G. Prosthetic heart valves: selection of the optimal prosthesis and long-term management. Circulation. 2009;119(7):1034– 1048. DOI: 10.1161/CIRCULATIONAHA.108.778886.Pibarot P., Dumesnil J.G. Prosthetic heart valves: selection of the optimal prosthesis and long-term management. Circulation. 2009;119(7):1034– 1048. DOI: 10.1161/CIRCULATIONAHA.108.778886.Dvir D., Bourguignon T., Otto C.M., Hahn R.T., Rosenhek R., Webb J.G. et al. Standardized definition of structural valve degeneration for surgical and transcatheter bioprosthetic aortic valves. Circulation. 2018;137(4):388–399. DOI: 10.1161/CIRCULATIONAHA.117.030729.Dvir D., Bourguignon T., Otto C.M., Hahn R.T., Rosenhek R., Webb J.G. et al. Standardized definition of structural valve degeneration for surgical and transcatheter bioprosthetic aortic valves. Circulation. 2018;137(4):388–399. DOI: 10.1161/CIRCULATIONAHA.117.030729.Kostyunin A.E., Yuzhalin A.E., Rezvova M.A., Ovcharenko E.A., Glushkova T.V., Kutikhin A.G. Degeneration of bioprosthetic heart valves: update 2020. J. Am. Heart Assoc. 2020;9(19):e018506. DOI: 10.1161/JAHA.120.018506.Kostyunin A.E., Yuzhalin A.E., Rezvova M.A., Ovcharenko E.A., Glushkova T.V., Kutikhin A.G. Degeneration of bioprosthetic heart valves: update 2020. J. Am. Heart Assoc. 2020;9(19):e018506. DOI: 10.1161/JAHA.120.018506.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.Костюнин А.Е., Глушкова Т.В., Резвова М.А., Клышников К.Ю., Онищенко П.С., Овчаренко Е.А. N-гликолилнейраминовая кислота как возможный триггер иммунного отторжения эпоксиобработанных ксеноперикардиальных биопротезов клапанов сердца. Комплексные проблемы сердечно-сосудистых заболеваний. 2023;12(3):173–180. DOI: 10.17802/2306-1278-2023-12-3-173-180.Костюнин А.Е., Глушкова Т.В., Резвова М.А., Клышников К.Ю., Онищенко П.С., Овчаренко Е.А. N-гликолилнейраминовая кислота как возможный триггер иммунного отторжения эпоксиобработанных ксеноперикардиальных биопротезов клапанов сердца. Комплексные проблемы сердечно-сосудистых заболеваний. 2023;12(3):173–180. DOI: 10.17802/2306-1278-2023-12-3-173-180.Kossar A.P., George I., Gordon R., Ferrari G. Bacterial infiltration and bioprosthetic valve failure: Emerging diagnostics for emerging therapies. J. Thorac. Cardiovasc. Surg. 2020;159(4):1279–1282. DOI: 10.1016/j.jtcvs.2019.07.149.Kossar A.P., George I., Gordon R., Ferrari G. Bacterial infiltration and bioprosthetic valve failure: Emerging diagnostics for emerging therapies. J. Thorac. Cardiovasc. Surg. 2020;159(4):1279–1282. DOI: 10.1016/j.jtcvs.2019.07.149.Nair V., Law K.B., Li A.Y., Phillips K.R., David T.E., Butany J. Characterizing the inflammatory reaction in explanted Medtronic Freestyle stentless porcine aortic bioprosthesis over a 6-year period. Cardiovasc. Pathol. 2012;21(3):158–168. DOI: 10.1016/j.carpath.2011.05.003.Nair V., Law K.B., Li A.Y., Phillips K.R., David T.E., Butany J. Characterizing the inflammatory reaction in explanted Medtronic Freestyle stentless porcine aortic bioprosthesis over a 6-year period. Cardiovasc. Pathol. 2012;21(3):158–168. DOI: 10.1016/j.carpath.2011.05.003.Kostyunin A., Mukhamadiyarov R., Glushkova T., Bogdanov L., Shishkova D., Osyaev N. et al. Ultrastructural pathology of atherosclerosis, calcific aortic valve disease, and bioprosthetic heart valve degeneration: commonalities and differences. Int. J. Mol. Sci. 2020;21(20):7434. DOI: 10.3390/ijms21207434.Kostyunin A., Mukhamadiyarov R., Glushkova T., Bogdanov L., Shishkova D., Osyaev N. et al. Ultrastructural pathology of atherosclerosis, calcific aortic valve disease, and bioprosthetic heart valve degeneration: commonalities and differences. Int. J. Mol. Sci. 2020;21(20):7434. DOI: 10.3390/ijms21207434.Shetty R., Pibarot P., Audet A., Janvier R., Dagenais F., Perron J. et al. 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.x.Shetty R., Pibarot P., Audet A., Janvier R., Dagenais F., Perron J. et al. 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.x.Böer U., Buettner F.F.R., Schridde A., Klingenberg M., Sarikouch S., Haverich A. et al. Antibody formation towards porcine tissue in patients implanted with crosslinked heart valves is directed to antigenic tissue proteins and αGal epitopes and is reduced in healthy vegetarian subjects. Xenotransplantation. 2017;24(2):e12288. DOI: 10.1111/xen.12288.Böer U., Buettner F.F.R., Schridde A., Klingenberg M., Sarikouch S., Haverich A. et al. Antibody formation towards porcine tissue in patients implanted with crosslinked heart valves is directed to antigenic tissue proteins and αGal epitopes and is reduced in healthy vegetarian subjects. Xenotransplantation. 2017;24(2):e12288. DOI: 10.1111/xen.12288.Habib G., Lancellotti P., Antunes M.J., Bongiorni M.G., Casalta J.P., Del Zotti F. et al. 2015 ESC Guidelines for the management of infective endocarditis: The Task Force for the Management of Infective Endocarditis of the European Society of Cardiology (ESC). Endorsed by: European Association for Cardio-Thoracic Surgery (EACTS), the European Association of Nuclear Medicine (EANM). Eur. Heart J. 2015;36(44):3075– 3128. DOI: 10.1093/eurheartj/ehv319.Habib G., Lancellotti P., Antunes M.J., Bongiorni M.G., Casalta J.P., Del Zotti F. et al. 2015 ESC Guidelines for the management of infective endocarditis: The Task Force for the Management of Infective Endocarditis of the European Society of Cardiology (ESC). Endorsed by: European Association for Cardio-Thoracic Surgery (EACTS), the European Association of Nuclear Medicine (EANM). Eur. Heart J. 2015;36(44):3075– 3128. DOI: 10.1093/eurheartj/ehv319.Sakaue T., Nakaoka H., Shikata F., Aono J., Kurata M., Uetani T. et al. Biochemical and histological evidence of deteriorated bioprosthetic valve leaflets: the accumulation of fibrinogen and plasminogen. Biol. Open. 2018;7(8):bio034009. DOI: 10.1242/bio.034009.Sakaue T., Nakaoka H., Shikata F., Aono J., Kurata M., Uetani T. et al. Biochemical and histological evidence of deteriorated bioprosthetic valve leaflets: the accumulation of fibrinogen and plasminogen. Biol. Open. 2018;7(8):bio034009. DOI: 10.1242/bio.034009.Fazzari F., Baggiano A., Fusini L., Ghulam Ali S., Gripari P., Junod D. et al. Early biological valve failure: structural valve degeneration, thrombosis, or endocarditis? J. Clin. Med. 2023;12(17):5740. DOI: 10.3390/jcm12175740.Fazzari F., Baggiano A., Fusini L., Ghulam Ali S., Gripari P., Junod D. et al. Early biological valve failure: structural valve degeneration, thrombosis, or endocarditis? J. Clin. Med. 2023;12(17):5740. DOI: 10.3390/jcm12175740.Morris A.J., Drinkovic D., Pottumarthy S., Strickett M.G., MacCulloch D., Lambie N. et al. Gram stain, culture, and histopathological examination findings for heart valves removed because of infective endocarditis. Clin. Infect. Dis. 2003;36(6):697–704. DOI: 10.1086/367842.Morris A.J., Drinkovic D., Pottumarthy S., Strickett M.G., MacCulloch D., Lambie N. et al. Gram stain, culture, and histopathological examination findings for heart valves removed because of infective endocarditis. Clin. Infect. Dis. 2003;36(6):697–704. DOI: 10.1086/367842.

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