Ο ρόλος των τοπικών αιμορρεολογικών συνθηκών στην εξέλιξη των αθηρωματικών βλαβών: μελέτη στεφανιαίων αρτηριών με αξονικό τομογράφο πολλαπλών τομών

Abstract

Local hemorrheologic factors are of increased interest in the field of atherosclerosis. Endothelial shear stress, wall stress and molecular viscosity are the major hemorrheologic factors, with the last two being less studied. The present study intended to investigate these factors and their association with remodeling, elasticity, atheromatic burden and geometric parameters, to examine their effect to cardiac cycle and the topography of lesions in coronary artery system and to spot areas which embrace characteristics of high-risk plaques. Novel application of the present study is the use of non-invasive computed tomography angiography. We studied 22 patients (mean age 62 ± 12.1 years) undergoing 128-slice computed tomography angiography for the investigation of coronary artery disease. Using image processing software we achieved 3-dimensional reconstruction of the left main coronary artery-left descending artery (n=14), left circumflex (n=5) and right coronary artery (n=9) both in diastole and systole (average length 66.71mm). Arteries were divided in 2mm-long segments and their dimensions were determined. Endothelial shear stress, wall pressure and molecular viscosity were calculated in each segment using computational fluid dynamics. Make use of these data wall stiffness, wall stress, remodeling and eccentricity were assessed. Curvature and torsion were calculated in each segment. We found that atherosclerotic regions with positive expansive remodeling obtain lower values of endothelial shear stress, increased elasticity and augmented atheromatic burden. Increased molecular viscosity is associated with augmented atheromatic burden, increased elasticity, concentric plaques, positive expansive and positive compensatory remodeling. Segments at the beginning of the plaques and normal segments adjacent to them obtain higher values of wall stress compared to the rest atherosclerotic segments. In atherosclerotic lesions, higher values of wall stress are observed in areas of positive remodeling and lumen patency preservation while lower values are observed in positive incomplete and negative remodeling (lumen stenosis). Lower endothelial shear stress, higher values of molecular viscosity and increased curvature are observed in systole compared to diastole. In conclusion, there are differences in endothelial shear stress, wall stress, molecular viscosity and curvature between the left and right coronary artery system. The present research designates the use of non-invasive methodology in detecting high-risk plaques. There is an interrelation of molecular viscosity to atherosclerotic parameters and an interpretation of wall stress in atherosclerotic process. Pathophysiologic paths for the role of elevated heart rate in atherosclerosis and differences in topography of atherosclerotic lesions in coronary artery system are provided.

Οι τοπικοί αιμορρεολογικοί παράγοντες παρουσιάζουν ολοένα και αυξανόμενο ενδιαφέρον στο πεδίο έρευνας της αθηροσκλήρωσης. Η ενδοθηλιακή διατμητική τάση, η τοιχωματική τάση και η μοριακή γλοιότητα αποτελούν τους κυριότερους αιμορρεολογικούς παράγοντες, με λιγότερη ερευνητική δραστηριότητα στους δύο τελευταίους. Η παρούσα μελέτη έχει σκοπό να διερευνήσει τις σχέσεις των παραγόντων αυτών με την αγγειακή αναδιαμόρφωση, την τοιχωματική σκληρότητα, το αθηρωματικό φορτίο και τους γεωμετρικούς παράγοντες, να εξετάσει το ρόλο τους στον καρδιακό κύκλο και την τοπογραφία της αθηροσκλήρωσης στο στεφανιαίο δίκτυο, καθώς και να αναδείξει περιοχές με χαρακτηριστικά υψηλού κινδύνου προς ρήξη πλακών. Καινοτόμος εφαρμογή της παρούσας έρευνας αποτελεί η χρήση της μη επεμβατικής αξονικής στεφανιογραφίας. Μελετήθηκαν 22 ασθενείς (μέση ηλικία 62 ± 12.1 έτη) που υποβλήθηκαν σε αξονική στεφανιογραφία 128 τομών για τη διερεύνηση στεφανιαίας νόσου. Χρησιμοποιώντας λογισμικό επεξεργασίας εικόνας πραγματοποιήθηκε τρισδιάστατη ανασύνθεση σε διαστολή και συστολή του στελέχους-προσθίου κατιόντα κλάδου (n=14), της περισπώμενης (n=5) και της δεξιάς στεφανιαίας αρτηρίας (n=9) με μέσο μήκος 66,71 χιλιοστά. Οι αρτηρίες διαιρέθηκαν σε τμήματα μήκους 2mm και προσδιορίστηκαν οι διαστάσεις τους. Με χρήση υπολογιστικής ρευστομηχανικής υπολογίστηκε η ενδοθηλιακή διατμητική τάση, η τοιχωματική πίεση και η μοριακή γλοιότητα σε κάθενα απο τα παραπάνω τμήματα. Από τα δεδομένα αυτά προέκυψε η τοιχωματική σκληρότητα, η τοιχωματική τάση και το είδος της αγγειακής αναδιαμόρφωσης τοπικά. Για καθένα από τα τμήματα αυτά υπολογίστηκε η καμπυλότητα και η στρέψη με τη χρήση ειδικού λογισμικού. Ανακαλύψαμε ότι σε περιοχές με θετική διατατική αναδιαμόρφωση παρατηρούνται χαμηλές τιμές ενδοθηλιακής διατμητικής τάσης, ελαττωμένη τοιχωματική σκληρότητα και αυξημένο αθηρωματικό φορτίο. Η αυξημένη μοριακή γλοιότητα συνδέεται με αυξημένο αθηρωματικό φορτίο, με τη δημιουργία συγκεντρικών πλακών, με θετική διατατική και θετική αντιρροπιστική αναδιαμόρφωση. Στις περιοχές πριν από τις πλάκες και στο αρχικό τμήμα των πλακών παρατηρούνται μεγαλύτερες τιμές τοιχωματικής τάσης έναντι των αντίστοιχων τιμών στις αθηρωματικές πλάκες. Στις περιοχές όπου αναπτύσσονται οι αθηρωματικές πλάκες, παρατηρούνται υψηλότερες τιμές τοιχωματικής τάσης σε περιοχές με θετική αναδιαμόρφωση και διατήρηση της βατότητας του αυλού έναντι χαμηλότερων τιμών που παρατηρούνται σε περιοχές θετικής ατελούς και αρνητικής αναδιαμόρφωσης. Στη συστολή παρατηρούνται χαμηλές τιμές ενδοθηλιακής διατμητικής τάσης, υψηλές τιμές μοριακής γλοιότητας και αυξημένη καμπυλότητα έναντι των τιμών στη διαστολή. Επικρατούν διαφορές στις τιμές της ενδοθηλιακής διατμητικής τάσης, της τοιχωματικής τάσης, της μοριακής γλοιότητας και της καμπυλότητας ανάμεσα στο αριστερό και το δεξιό στεφανιαίο δίκτυο. Συμπερασματικά, η παρούσα διδακτορική διατριβή αναδεικνύει τη χρήση μη επεμβατικής μεθοδολογίας στην εντόπιση πλακών με χαρακτηριστικά υψηλού κινδύνου προς ρήξη πλακών. Γίνεται συσχέτιση της μοριακής γλοιότητας με παραμέτρους της αθηροσκλήρωσης και ερμηνεύει το ρόλο της τοιχωματικής τάσης στην αθηροσκληρωτική διαδικασία. Παρέχονται παθοφυσιολογικές ερμηνείες για το ρόλο της καρδιακής συχνότητας στην αθηροσκλήρωση και των διαφορών στην τοπογραφία της αθηροσκλήρωσης στο στεφανιαίο δίκτυο.