Μορφομετρική και ιστοχημική μελέτη των μηχανικών ιδιοτήτων και της δομής της αορτής θηλαστικών

Abstract

The aorta does not serve only a conduit function, but, through its mechanical properties, plays important roles modulating pressure and flow in the entire cardiovascular system (Boudoulas and Wooley, 1996; Nichols and O’Rourke, 1990). It is a large-caliber vessel, whose mechanical response is predominantly attributed to the medial layer, because this is the thickest layer in cross-section and the most organized one. Previous studies (Wolinsky and Glagov, 1964, 1967; Clark and Glagov, 1979, 1985) have shown that the aortic media contains concentric cylindrical lamellae, which serve as building blocks of the aortic wall. These include two fenestrated sheets of elastin (Roach, 1983; Song and Roach, 1983, 1985; Roach and Song, 1988), separated by vascular smooth muscle cells, collagen and ground substance. Elastin and collagen are the principal components to determine the passive mechanical properties of the aortic wall (Roach and Burton, 1957; Glagov and Wolinsky, 1963; Cox, 1978), whereas smooth muscle cells are responsible for the active mechanical properties and the production of extracellular matrix (Dobrin and Rovick, 1969; Cox, 1976). It is well appreciated today that the aorta displays a nonlinear stress-strain response of increasing stiffness. Recently, a phenomenological constitutive law, consisting of three analytical functions, was proposed (Sokolis et al., 2002) to describe the low, physiologic and high-stress parts of this response upon uniaxial tension. It is, still, rewarding to know how the three-part shape of the nonlinear stress-strain response is influenced by the interaction of different passive tissue components, because only then may be given physical interpretation to the constitutive parameters; even more so, since previous constitutive laws in the arterial mechanics literature have only indirectly been related to aortic wall structure. Accordingly, this study was concerned with the sequence of changes occurring in the network of elastic lamellae and collagen bundles of the medial layer in response to progressive stressing, and with showing how these changes relate to the recently proposed three-part constitutive law. It was found that the aorta’s nonlinear mechanical response is explained in terms of three modes of stressing. During the first mode of relatively low aortic stiffness at low stresses, elastic lamellae straighten and collagen bundles become aligned along the stress axis, whereas during the second mode of increased stiffness at physiologic stresses, elastic lamellae continue to straighten and the realigned collagen bundles start to do so. In the third mode referring to high stresses and characterized by very high stiffness, all elastic lamellae are straight and compacted, and collagen bundles continue straightening. The parameters of the three-part constitutive law, thus, admit direct physical interpretation; those associated with part I stand as microstructural indices of the state, content and elastic modulus of elastin, those associated with part III as the respective indices of collagen, and those associated with part II as indices of both elastin and collagen.

ΣΚΟΠΟΣ Είναι γνωστό ότι η αορτή ανταποκρίνεται στις ενδοαυλικές πιέσεις με μεταβολή των διαστάσεών της. Αντικείμενο της παρούσας εργασίας ήταν η μελέτη των δομικών - ιστολογικών αναδιατάξεων του αορτικού τοιχώματος που επέρχονται μετά την επίδραση διαφορετικών επιπέδων μηχανικής τάσης. ΥΛΙΚΟ-ΜΕΘΟΔΟΣ Χρησιμοποιήθηκαν τριάντα πέντε λευκά αρσενικά κουνέλια Νέας Ζηλανδίας της ίδιας ηλικίας. Η κατιούσα θωρακική αορτή αφαιρέθηκε με μέση στερνοτομή και λήφθηκαν επιμήκεις λωρίδες που υποβλήθηκαν σε προεπιλεγμένα επίπεδα μηχανικής τάσης σε συσκευή μονοαξονικού εφελκυσμού. Τα δείγματα μονιμοποιήθηκαν σε διάλυμα Karnovski υπό άλλοτε άλλη τάση, αφυδατώθηκαν και εμπεδώθηκαν σε παραφίνη. Η διαδικασία επαναλήφθηκε σε διαφορετικά επίπεδα τάσης που καλύπτουν όλο το εύρος των δυνητικά ασκούμενων στο τοίχωμα τάσεων, από μηδενικές έως εξαιρετικά υψηλές. Η διάταξη των ινών της ελαστίνης και του κολλαγόνου στο μέσο χιτώνα προσδιορίστηκε σε εγκάρσιες και επιμήκεις τομές του αγγείου. Για την εξέταση στο φωτομικροσκόπιο, τα δείγματα χρωμα-τίστηκαν με Verhoeff’s elastica για την ανάδειξη της ελαστίνης και με Sirius red για την ανά-δειξη του κολλαγόνου. Για τη μελέτη στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, ο αορτικός ιστός χρωμα-τίστηκε με οξεικό ουρανύλιο και κιτρικό μόλυβδο. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Τα πέταλα της ελαστίνης υπό μηδενική τάση ήταν κυματοειδή και προσα-νατολισμένα τόσο στον επιμήκη όσο και στον περιφερειακό άξονα του αγγείου, ενώ το κολλα-γόνο ήταν συσπειρωμένο και εμφάνιζε τη μορφή δεσμίδων με σαφή περιφερειακό προσανα-τολισμό καθώς και τη μορφή διαπλεκόμενων ινιδίων. Στις επιμήκεις τομές, τα πέταλα της ελα-στίνης εκπτύσσονταν βαθμιαία σε χαμηλές τάσεις και ήταν σχεδόν πλήρως ευθειασμένα σε φυσιολογικές και υψηλές τάσεις, ενώ τα ινίδια του κολλαγόνου αναπροσανατολίζονταν προς τον επιμήκη άξονα σε χαμηλές τάσεις, άρχιζαν να αποσυσπειρώνονται σε φυσιολογικές τάσεις και ευθυγραμμίζονταν μαζικά σε υψηλές τάσεις. Στις εγκάρσιες τομές, η πτύχωση των πετά-λων της ελαστίνης και των περιφερειακά διευθετημένων δεσμίδων του κολλαγόνου παρέμενε αμετάβλητη προϊούσης της επιμήκως ασκούμενης τάσης. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Οι μικροδομικές αυτές μεταβολές υποδηλώνουν ότι η ελαστίνη ενεργο-ποιείται σε χαμηλές και φυσιολογικές, ενώ το κολλαγόνο σε φυσιολογικές και υψηλές τάσεις. Διαπιστώνεται συσχέτιση των ιστολογικών αναδιατάξεων του αορτικού τοιχώματος με το επί-πεδο της εφαρμοζόμενης τάσης και επεξηγείται ο μηχανισμός με τον οποίο η ιστολογική μι-κροδομή της αορτής ανταποκρίνεται στις μεταβολές των ενδοαυλικών πιέσεων.