The necessity of innovation and patient specific approach on the fields of aortic valve repair and aortic root reconstruction: the challenge of developing new techniques in an increasing complexity population

Abstract

Objectives: The aortic root constituents has been laid down in the general part of this thesis, followed by a thorough description of current practise of aortic root and valve repair, including leaflet surgery. In the specific part of this work, that follows, we have challenged ourselves with improving on the design and implantation of aortic neo leaflets, aiming to a more physiologic coaptation area. We have further investigated to revive constituents of the aortic root that play a significant role on its development and function. Such constituents need to be identified and considered when complex repair of the aortic valve is undertaken. Methods: A novel aortic leaflet has been designed and tailored with use of porcine pericardial sac. The implantation was carried out in a simulation lab, by an experienced cardiac surgeon, with use of porcine hearts; and repeated a total of 12 times. Following implantation, the roots were removed ‘en-block’ from the hearts, pressurized and tested for aortic valvar regurgitation. Lastly, the ventricular coaptation zones were marked, and the roots were divided on the long axis. The coaptation areas examined and compared to the physiologic human aortic root coaptation biphasic area. Next to the surgical simulation, a thorough analysis of the aortic root and its Left Ostial process- LOP-, was carried out. This analysis was based on surgical dissection, comparative anatomy, and a structural study of the aortic root, using CT data. Results: 12 aortic leaflets were successfully implanted, in 4 porcine hearts. All valve constructed were tested to be competent in loading pressures over 120mmHg. Taking down of the aortic roots, and examining the marked coaptation zones, revealed a nearly physiologic coaptation area for all leaflets. This highly resembles the biphasic coaptation surface of the native human aortic valve. The presence of a muscular crescent of the leaflet of the LCA sinus, was confirmed by investigation and dissection of human heart specimens. This left ostial process- LOP was further identified within the LVOT of human aortic homograft. The local co-ordinates of the LOP were described and compared to other species, establishing an in depth understanding of its pivot role in the aortic root structure. Its relation to the left main stem was successfully shown, relating a longer LMS to RCA dominance, the presence of LOP and an unwaged aortic root. Conclusions: The feasibility of achieving physiologic coaptation area along leaflet implantation surgery has been proven. The relation of the LOP to the aortic annulus, the left main stem and its anatomic significance on aortic root surgery has been brought to light, calling for further translational research in the field.

Στόχοι: Στο γενικό μέρος αυτής της διατριβής τα συστατικά της αορτικής ρίζας έχουν παρουσιαστει, ακολουθούμενα από μια λεπτομερή περιγραφή της τρέχουσας πρακτικής επιδιόρθωσης της αορτικής βαλβίδας και της αορτικής ρίζας, συμπεριλαμβανομένης της χειρουργικής των γλωχίνων. Στο ειδικό μέρος αυτής της εργασίας, έχουμε θέσει ως πρόκληση να βελτιώσουμε τον σχεδιασμό και την εμφύτευση των αορτικών νεογλωχίνων, στοχεύοντας σε μια πιο φυσιολογική επιφανεια συνάρμοσης. Έχουμε διερευνήσει περαιτέρω δομικά συστατικά της αορτικής ρίζας που παίζουν σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη και τη λειτουργία της. Τέτοια συστατικά πρέπει να αναγνωρίζονται και να λαμβάνονται υπόψη κατά την εκτέλεση σύνθετης αποκατάστασης της αορτικής βαλβίδας. Μέθοδοι: Ένα νέο αορτικό φύλλο-γλωχινα- σχεδιάστηκε και δημιουργήθηκε με χρήση περικαρδιακού σάκου χοίρου. Η εμφύτευση πραγματοποιήθηκε σε εργαστήριο προσομοίωσης, από έμπειρο καρδιοχειρουργό, με χρήση καρδιών χοίρου και επαναλήφθηκε συνολικά 12 φορές. Μετά την εμφύτευση, οι ρίζες αφαιρέθηκαν «en-block» από τις καρδιές, συμπιέστηκαν και ελέγχθηκαν για ανεπάρκεια αορτικής βαλβίδας. Τέλος, σημειώθηκαν οι ζώνες συνάρμοσης από την κοιλιακή επιφάνεια, και οι ρίζες διαιρέθηκαν στον επιμήκη άξονα. Οι επιφάνειες συνάρμοσης εξετάστηκαν και συγκρίθηκαν με τη φυσιολογική διφασική περιοχή συνάρμοσης των γλωχινων στην αορτικής βαλβιδας του ανθρώπου. Μετά τη χειρουργική προσομοίωση, πραγματοποιήθηκε διεξοδική ανάλυση της ανθρώπινης αορτικής ρίζας και της στομιακής απόφυσης του αριστερής κοιλίας – Left Ostial Process: LOP-. Αυτή η ανάλυση βασίστηκε σε χειρουργική ανατομία, συγκριτική ανατομία και δομική μελέτη της αορτικής ρίζας, χρησιμοποιώντας δεδομένα αξονικής τομογραφίας. Αποτελέσματα: Εμφυτεύθηκαν επιτυχώς 12 γλωχίνες αορτικής βαλβίδας σε 4 καρδιές χοίρων. Όλες οι κατασκευασθείσες βαλβίδες αποδείχθηκαν επαρκείς (στεγανές) υπό ‘διαστολικές’ πιέσεις άνω των 120 mmHg. Η εξέταση των σημειωμένων ζωνών σύγκλισης και συνάρμοσης (coaptation zones) αποκάλυψαν επιφάνεια συνάρμοσης σχεδόν φυσιολογική για όλες τις γλωχίνες. Αυτό παρουσιάζει μεγάλη ομοιότητα με τη διφασική επιφάνεια σύγκλισης της ανθρώπινης αορτικής βαλβίδας. Η παρουσία ενός μυϊκού σχηματισμού στη βαση του κόλπου (sinus) της αριστερής στεφανιαίας αρτηρίας (LCA) επιβεβαιώθηκε μέσω έρευνας και μελετης δειγμάτων ανθρώπινων καρδιών. Ο εν λόγω σχηματισμός της στομιακής απόφυσης του αριστερής κοιλίας (Left Ostial Process - LOP) εντοπίστηκε επίσης εντός της οδού εξόδου της αριστερής κοιλίας (LVOT) σε ανθρώπινα αορτικά ομομοσχεύματα. Προσδιορίστηκαν οι τοπικές συντεταγμένες του LOP και συγκρίθηκαν με εκείνες άλλων ειδών, επιτρέποντας την εις βάθος κατανόηση του καθοριστικού ρόλου του στη δομή της ρίζας της αορτής. Καταδείχθηκε επιτυχώς η σχέση του με τον αριστερό κύριο στέλεχος (LMS) της στεφανιαίας αρτηρίας, συνδέοντας το μεγαλύτερο μήκος του LMS με την επικράτηση της δεξιάς στεφανιαίας αρτηρίας (RCA), την παρουσία του LOP και τη συγκεκριμένη διαμόρφωση της ρίζας της αορτής. Συμπεράσματα: Η δυνατότητα επίτευξης φυσιολογικής περιοχής συνάρμοσης κατά την εμφύτευση γλωχίνων έχει αποδειχθεί. Η σχέση της LOP με τον αορτικό δακτύλιο, το αριστερό κύριο στέλεχος και η ανατομική της σημασία στη χειρουργική επέμβαση αορτικής ρίζας έχει έρθει στο φως, γεγονός που απαιτεί περαιτέρω μεταφορική έρευνα στον τομέα.