Учёные выяснили, почему клапаны сердца способны сохранять прочность на протяжении десятилетий, несмотря на постоянное воздействие ферментов, разрушающих коллаген. Ключевую роль в этом процессе играет биомеханическое напряжение, возникающее при каждом сокращении сердца. Результаты исследования опубликованы в Journal of Biomechanical Engineering.
Коллаген укрепляет клапанные створки, которые открываются для движения крови в одном направлении и закрываются, не позволяя ей течь обратно. При этом окружающая сердце жидкость содержит коллагеназы — ферменты, способные расщеплять коллаген. Как отмечает первый автор работы, доцент кафедры механической и аэрокосмической инженерии Университета штата Северная Каролина Хсиао-Ин Шэдоу Хуан, створки открываются и закрываются миллионы раз в год, но у здорового человека остаются прочными десятилетиями.
Исследователи также связали быстрое ухудшение состояния клапанных створок с развитием сердечных заболеваний. «Мы хотели понять, почему это происходит и какую роль в этих процессах может играть биомеханика», — сказала Хуан. Для экспериментов использовали сердца свиней, а створки подвергали разным уровням растяжения и нагрузкам в нескольких направлениях.
В норме при открытом положении аортального клапана створка растягивается вдоль волокон примерно до 70% от максимальной длины, а в поперечном направлении — лишь до 20%. Учёные проверили этот вариант, соотношение 35% к 10%, а также режимы с одинаковой нагрузкой по двум направлениям. Опыты проводили как при обычной концентрации коллагеназ, так и при повышенной.
После каждого испытания специалисты изучали микроструктуру тканей. Оказалось, что увеличение нагрузки не повреждало коллаген даже при избытке ферментов, если соотношение продольного и поперечного растяжения сохранялось. Когда это соотношение меняли, коллаген разрушался независимо от уровня коллагеназ.
Таким образом, растяжение створки в направлении, совпадающем с расположением богатых коллагеном волокон, действует как естественная биомеханическая защита. По словам Хуан, ранее похожий механизм наблюдали в сухожилиях, однако там ткань изучали только при нагрузке в одном направлении. Полученные данные помогают понять работу и повреждение сердца, а также могут быть использованы при создании новых биоматериалов для замены клапанов, сообщает Университет штата Северная Каролина.