Pathological biomineralization in heart valves affected by atherosclerosis

Abstract

У зв’язку зі старінням популяції України відбувається ріст поширеності атеросклеротичного ураження клапанних структур серця, що суттєво погіршує якість життя та прогноз для пацієнтів. Патологічна біомінералізація клапанного апарату серця має несприятливе прогностичне значення для перебігу ішемічної хвороби серця та супроводжується збільшенням частоти раптової коронарної смерті. Метою роботи є морфологічне дослідження мінералізованих тканини серцевих клапанів, уражених атеросклерозом. Під час дослідження використали гістологічні, гістохімічні методи та скануючу електронну мікроскопію з рентгенівською дифракцією. Всього було досліджено 49 пацієнтів, з них у 30 – поєднання ураження аортальних клапанів (АК) та мітральних клапанів (МК), у 16 та 3 – відповідно ізольоване ушкодження лише МК та АК. Середній вік померлих з атеросклеротичним ураженням МК становив 69,09 ± 1,34 року, з ураженням АК – 68,84 ± 1,54 років. За гендерною ознакою спостерігалася рівність при ураженні МК (50 % чоловіки і 50 % жінки), при ураженні АК незначно переважали жінки (54,6 %). При макроскопічному дослідженні серцевих клапанів виявлено, що при атеросклеротичному ураженні біомінеральні депозити локалізувалися в стулках або в фіброзному кільці. Гістологічне дослідження показує, що в уражених компонентах клапанного апарату виявляється потовщення фіброзного шару та еластичних волокон, вогнищеве відкладення ліпідів, міксоматозні зміни, явища набряку. Присутність сполук кальцію у виявлених біомінералах підтверджувалася за допомогою гістохімічних забарвлень алізаріновим червоним та методом фон Косса. Дослідження питомої частки мінерального компоненту в тканині різних СК показало наступні результати. МК у середньому містили 17,35 ± 2,08 % кальцифікованої речовини, в АК виявлено 18,84 ± 2,23 % біомінералів. При СЕМ із рентгенівським мікроаналізом мінералізовані елементи СК, незалежно від локалізації – МК, АК виявлялися як яскраві об’єкти біло-сірого кольору у вигляді брил, грудок, дрібних порошкоподібних частинок. Біомінеральна частина листків та фіброзного кільця була інкрустована в гістологічну структуру клапанів і тісно пов’язана зі сполучнотканинним компонентом органу. В окремих місцях спостерігалось розшаровування еластичних і сполучнотканинних волокон, в інших локаціях біомінеральна тканина плавно переходила в навколишню строму. Рентгенівські дифрактограми мінералізованих компонентів усіх локалізацій СК показували подібний хімічний склад, близький за співвідношенням кальцію та фосфору, переважна більшість яких відповідала гідроксиапатитам.

В связи со старением популяции Украины происходит рост распространенности атеросклеротического поражения клапанных структур сердца, что существенно ухудшает качество жизни и прогноз для пациентов. Патологическая биоминерализация клапанного аппарата сердца имеет неблагоприятное прогностическое значение для течения ишемической болезни сердца и сопровождается увеличением частоты внезапной коронарной смерти. Целью работы является морфологическое исследование минерализованных ткани сердечных клапанов, пораженных атеросклерозом. Во время исследования использовали гистологические, гистохимические методы и сканирующую электронную микроскопию с рентгеновской дифракцией. Всего было исследовано 49 пациентов, из них у 30 – сочетание поражения аортальных клапанов (АК) и митральных клапанов (МК), в 16 и 3 – соответственно изолированное повреждение только МК и АК. Средний возраст умерших с атеросклеротическим поражением МК составил 69,09 ± 1,34 года, с поражением АК – 68,84 ± 1,54 лет. По гендерному признаку наблюдалась равенство при поражении МК (50 % мужчины и 50 % женщины), при поражении АК незначительно преобладали женщины (54,6 %). При макроскопическом исследовании сердечных клапанов выявлено, что при атеросклеротическом поражении биоминеральные депозиты локализовались в створках или в фиброзном кольце. Гистологическое исследование показывает, что в пораженных компонентах клапанного аппарата оказывается утолщение фиброзного слоя и эластических волокон, очаговое отложение липидов, миксоматозной изменения, явления отека. Присутствие соединений кальция в выявленных биоминералы подтверждалась с помощью гистохимических окрасок ализариновим красным и методом фон Косса. Исследование удельной доли минерального компонента в ткани различных сердечных клапанов (СК) показало следующие результаты. МК в среднем содержали 17,35 ± 2,08 % кальцифицированными вещества, в АК выявлено 18,84 ± 2,23 % биоминералов. При сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) с рентгеновским микроанализом минерализованные элементы СК, независимо от локализации – МК, АК оказывались как яркие объекты бело-серого цвета в виде глыбок, комков, мелких порошкообразных частиц. Биоминеральная часть лепестков и фиброзного кольца была инкрустирована в гистологическую структуру клапанов и тесно связана с соединительнотканным компонентом органа. В отдельных местах наблюдалось расслаивание эластичных и соединительных волокон, в других локациях биоминерального ткань плавно переходила в окружающую строму. Рентгеновские дифрактограммы минерализованных компонентов всех локализаций СК показывали сходный химический состав по соотношению кальция и фосфора. Подавляющее большинство биоматериалов по фазовому составу отвечала гидроксиапатитам.

Due to the aging of Ukrainian population the prevalence of growing of atherosclerotic affection of heart valve structures is observed, it affects significantly the life quality and prognosis for patients. Pathological biomineralization of heart valves has an adverse prognostic value for the course of coronary heart disease and it is accompanied by increase of frequency of sudden coronary death. The aim of the work is the morphological study of mineralized tissue of aortic and mitral heart valves, which were affected by atherosclerosis. During the study we used macroscopic description, histology and histochemistry, scanning electron microscopy with X-ray difraction. Material of 49 section cases was investigated, in which 30 patients had the combination of aortic valve (AV) and mitral valve (MV) affection, 16 and 3 had isolated affection of only MV and AV, respectively. The average age of death people with atherosclerotic affection of MV was 69.09 ± 1.34 years, with AV affection – 68.84 ± 1.54 years. MV affection was equal due to the gender (50 % men and 50 % women), in the case of AV affection women (54.6 %) dominated insignificantly. During macroscopic study of heart valves it was found that biomineral deposits were located in the cusps or in the fibrous ring in the case of atherosclerotic valve affection. Histological examination shows that thickening of the fibrous layer and elastic fibers, focal deposition of lipids, myxomatous changes, edema were found in the affected valve components. The presence of calcium compounds in the identified biominerals was confirmed by histochemical staining with alizarine red and due to the method of von Kossa. Study of the specific mineral component in the tissue of various heart valves (HV) showed the following results. MV contained in average 17.35 ± 2.08 % of calcified substance, 18.84 ± 2.23 % of biominerals was found in AV (p > 0.46). During SEM with X-ray microanalysis mineralized HV elements were detected as bright objects with white and gray color, in the form of blocks, lumps, small powdered particles, it didn’t depend on the localization – MV or AV. Biomineral part of leaves and fibrous ring was inlaid into the histological structure of valves and it is associated closely with connective tissue component of the organ. In some places delamination of connective tissue and elastic fibers was observed, in other locations biomineral tissue passed fluently into the surrounding stroma. X-ray diffraction of mineralized components of all HV locations shows a similar chemical composition, which is close to the ratio of calcium and phosphorus, most of which corresponded to hydroxyapatite.