Σε ένα σύστημα παλμικής ροής, όπως είναι το αρτηριακό, οι απώλειες ενέργειας κατά τη ροή του αίματος δεν οφείλονται μόνο στην παρουσία των γνωστών μας περιφερικών (υδραυλικών) αντιστάσεων R ( = αντιστάσεις Poiseuille), αλλά και στον παλμικό χαρακτήρα της ροής, στη ενδοτικότητα (διατασιμότητα) του τοιχώματος της αορτής και των υπολοίπων αρτηριών και στα ανακλώμενα κύματα πίεσης και ροής. Δηλαδή, οι απώλειες ενέργειας κατά τη ροή του αίματος οφείλονται στη σύνθετη αντίσταση (impedance). Η αορτή είναι ένα ευένδοτο αλλά και ελαστικό αγγείο που αποθηκεύει μέρος της ενέργειας του εξωθούμενου όγκου παλμού κατά τη συστολική φάση. Ακολούθως, κατά τη διαστολική φάση αποδίδει αυτή την ενέργεια εξασφαλίζοντας τη διατήρηση συνεχούς ροής. Η λειτουργία αυτή περιγράφεται ως ιδιότητα «Windkessel» της αορτής και των μεγάλων αρτηριών, δια μέσω της οποίας επέρχεται σημαντική ελάττωση του καρδιακού μεταφορτίου, επιτρέποντας την αποδοτικότερη λειτουργία του μυοκαρδίου. Στον άνθρωπο, η διαδικασία της γήρανσης συνοδεύεται, μεταξύ των άλλων, και από μόνιμες μεταβολές του τοιχώματος της αορτής και των υπολοίπων αρτηριών με αποτέλεσμα την προοδευτική μείωση της ενδοτικότητας του τοιχώματος της αορτής και των υπολοίπων αρτηριών χωρίς σημαντικές μεταβολές των περιφερικών αντιστάσεων. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της σύνθετης αντίστασης κατά την παλμική ροή και συνεπώς γεννά το ερώτημα, αν αυτή η μείωση της ενδοτικότητας συντελεί, πρωτογενώς, στην αύξηση της αρτηριακής πίεσης και δευτερογενώς στην ανάπτυξη υπερτροφίας της αριστεράς κοιλίας. Η χειρουργική αντικατάσταση της αορτής με την τοποθέτηση ανένδοτων μοσχευμάτων αναμένεται να επιφέρει μείωση της συστηματικής ενδοτικότητας με συνακόλουθες δυσμενείς αιμοδυναμικές μεταβολές στο καρδιοαγγειακό σύστημα. Κλινικές αναφορές περιγράφουν την ανάπτυξη υπερτροφίας της αριστεράς κοιλίας μετά από χειρουργική παράκαμψη της θωρακικής αορτής και τοποθέτηση μοσχεύματος μεταξύ της ανιούσας αορτής και της κοιλιακής αορτής. Αυτή η αιφνίδια «σκλήρυνση» του αγγειακού συστήματος ενισχύει μία ενδεχόμενη καρδιακή δυσλειτουργία ή και στεφανιαία ισχαιμία, διαταράσσοντας την σχέση μεταξύ της μυοκαρδιακής συστολικής λειτουργίας και αιμάτωσης. Ακόμη, η ανομοιογενής ακτινική διαστολή μεταξύ του μοσχεύματος και της φυσικής αρτηρίας οδηγεί στην ανάπτυξη τάσης στις αναστομώσεις, στην καταπόνηση των ραμμάτων και πιθανώς στη δημιουργία αναστομωτικών ανευρυσμάτων. Η μελέτη αυτή, χρησιμοποιώντας πειραματόζωα και εφαρμόζοντας τις θεμελιώδεις αρχές της αιμοδυναμικής, συμπληρώνει και επεκτείνει προηγούμενες αναφορές, εξετάζοντας τις άμεσες (κατά τη διάρκεια του χειρουργείου) αιμοδυναμικές μεταβολές αλλά και τις απώτερες, αφού τα πειραματόζωα παρακολουθήθηκαν για δύο μήνες. Επίσης, η μείωση της ενδοτικότητας έγινε με τέτοιο τρόπο, ώστε να διατηρηθεί η φυσιολογική γεωμετρία του αρτηριακού τόξου. Τα πειραματόζωα που χρησιμοποιήθηκαν ήταν χοίροι τύπου Yucatan Miniature Swine με σωματικό βάρος μεταξύ 22 και 30 χιλιόγραμμων. Οι χοίροι χωρίστηκαν σε δύο Ομάδες, μια Ελέγχου και η άλλη με Περίδεση της αορτής. Στην ανιούσα αορτή του κάθε ζώου εμφυτεύτηκαν ανιχνευτές πίεσης και ροής. Επιπρόσθετα, στην Ομάδα Περίδεσης το αορτικό τόξο περιτυλίχθηκε με λωρίδες Teflon, έτσι ώστε να περιορισθεί η ενδοτικότητα του αγγείου χωρίς να προκαλείται στένωση του αυλού (Κεφάλαιο 2). Οι αιμοδυναμικές παράμετροι μετρήθηκαν και καταγράφηκαν άμεσα μετά την εμφύτευση των ανιχνευτών καθώς και μετά την περίδεση της αορτής (μόνο στην ομάδα περίδεσης). Επίσης, μετρήσεις γίνανε τη 2η, τη 30η και 60η μετεγχειρητική ημέρα (για την ανάλυση των χρόνιων αιμοδυναμικών μεταβολών). Στο ειδικό μέρος της παρούσας εργασίας περιγράφονται αρχικά οι οξείες αιμοδυναμικές μεταβολές (Κεφάλαιο 3) μετά την εμφύτευση των ανιχνευτών ροής και πίεσης καθώς και άμεσα μετά τη περίδεση της αορτής και τη δεύτερη μετεγχειρητική ημέρα. Μελετήθηκαν δεκατέσσερις χοίροι, οι οποίοι χωρίστηκαν σε δύο ίσες Ομάδες, μια με περίδεση της αορτής και μία ελέγχου. Στη συνέχεια μελετώνται αφενός μεν η χρόνια επίδραση της μειωμένης αρτηριακής ενδοτικότητας στην αιμοδυναμική κατάσταση του πειραματόζωου, αφετέρου οι δομικές αναδιαμορφώσεις του μυοκαρδίου ως αποτέλεσμα της χρόνιας αυτής έκθεσης (Κεφάλαιο 4). Στο τέλος των οκτώ εβδομάδων ελήφθησαν ιστοτεμάχια από το τοίχωμα της αριστεράς κοιλίας για ιστολογική εξέταση. ΕΠΙΠΤΩΣΗ ΤΗΣ ΟΞΕΙΑΣ ΜΕΙΩΣΗΣ ΤΗΣ ΕΝΔΟΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΤΗΣ ΑΟΡΤΗΣ Μετά την περίδεση, η ενδοτικότητα της αορτής μειώθηκε κατά 52±13% ( ±SEM) (p<0,01), ενώ η συστολική πίεση αυξήθηκε κατά 37±8% (p<0,05) και η πίεση σφυγμού κατά (87±31%, p<0,01). Η διαστολική πίεση, η μέση πίεση, η καρδιακή παροχή και οι συστηματικές αρτηριακές αντιστάσεις δεν μεταβλήθηκαν σημαντικά. Η χαρακτηριστική σύνθετη αντίσταση της αορτής αυξήθηκε κατά 2,5 φορές, τεκμηριώνοντας την αιφνίδια σκλήρυνση του κεντρικού τμήματος της αορτής. Το πλάτος των προσπιπτόντων και ανακλώμενων κυμάτων αυξήθηκε κατά 96±41% και 174±46%, αντίστοιχα, ενώ η χρονική διαφορά φάσης μειώθηκε κατά 36±7% (p=0,05). ΕΠΙΠΤΩΣΗ ΤΗΣ ΧΡΟΝΙΑΣ ΜΕΙΩΣΗΣ ΤΗΣ ΕΝΔΟΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΤΗΣ ΑΟΡΤΗΣ Η χρόνια μείωση της ενδοτικότητας της αορτής παρουσιάζει μεταβολές των αιμοδυναμικών παραμέτρων παρόμοιες με αυτές που παρατηρήθηκαν στην οξεία φάση. Μετά την περίδεση, η ενδοτικότητα της αορτής μειώθηκε κατά 49±9%, 44±16%, και 42±7% ( ±SEM) την 2η, 30η και 60η ΜΗ, αντίστοιχα (p<0,05) ενώ η συστολική πίεση αυξήθηκε κατά 41±11%, 30±11%, και 35±12%,αντίστοιχα (p<0,05) και η πίεση σφυγμού κατά 86±27%, 76±21% και 88±23%, αντίστοιχα (p<0,01). Η διαστολική πίεση, η μέση πίεση, η καρδιακή παροχή και οι συστηματικές αρτηριακές αντιστάσεις δεν μεταβλήθηκαν σημαντικά. Η μέση τιμή επιφανειακής έκτασης των μυϊκών κυττάρων της αριστεράς κοιλίας στην Ομάδα Ελέγχου ήταν 251±12 mm2 ενώ για την Ομάδα Περίδεσης ήταν 351±17 mm2 (p< 0,001).
(EL)
The natural aorta and especially the aortic root, is a compliant vessel, which expands as pressure increases during systole, to be released later during diastole. Ejection of the blood from the left ventricle is possible because the volume of the large arteries is able to increase in order to accommodate the ejected blood. This function is described as the Windkessel property of the aorta and the major conduit arteries and results in a considerable damping of the pressure wave and a significant reduction of cardiac afterload, enabling the heart to work efficiently near the optimum point on the Starling curve. Aging is a natural process in all living organisms. In humans, aging is accompanied by a continuous modification of the arterial wall, resulting in a progressive reduction in aortic compliance. These arterial changes are not simultaneously accompanied by any change in peripheral resistance. This natural modification of the aorta results in increased impedance during pulsatile flow, giving rise to the question: Does decreased arterial compliance, primarily, cause an increase in arterial pressure and ultimately, cause the development of left ventricle hypertrophy? Operation on the diseased or damaged aorta is performed mainly using synthetic grafts. Conventional vascular prostheses, such as woven Dacron, do not distend as the stroke volume ejected by the heart enters its lumen. Therefore, the use of these non-compliant grafts leads to a decrease in systemic arterial compliance. Furthermore, the introduction of an inelastic graft in the highly distensible natural aorta may change the performance of the cardiovascular system due to the compliance mismatch between the host artery and the prosthesis. Vascular prostheses feature mechanical properties that are very different from those of natural arteries. After the insertion of a non-compliant graft, two main consequences appear. First, at the interfaces, the different propagation rate of pressure waves, dependant on wall elasticity, cause wave reflections and eddy currents. These in turn have been shown to promote thrombi formation or intimal hyperplasia. Second, due to the different radial dilation of the prosthesis and the host vessel, overstresses arise on the suture line of the anastomoses which in turn lead to fatigue failure of sutures, tearing of the host artery resulting in anastomotic aneurysm formation. Clinical observations have documented left ventricle hypertrophy after ascending abdominal aorta bypass for thoracoabdominal aneurysm, most likely a result of increased aortic input impedance. Later reports correlated left ventricle hypertrophy seen after proximal or long bypass procedures, with non-compliant grafts, with increased characteristic impedance, decreased Windkessel effect of the proximal aorta and increased systolic wall stress. This stiffening of the vasculature has been shown to augment cardiac dysfunction and ischemia due to coronary occlusion by tightening the link between cardiac systolic performance and myocardial perfusion. This experimental study was undertaken to investigate, both, the acute and long-term effects of reduced aortic compliance on cardiovascular hemodynamics and cardiac remodelling. This article supplements and expands previous reports by not only studying acute results from open or closed chest animals but also studying long-term results. Furthermore, we surgically reduced compliance in a manner that preserves the natural geometry of the arterial tree. The study utilized a swine model (Yucatn Miniature Swine) with animals weighing between 22 to 30 kilograms. The animals were divided into two Groups, a Control (Sham) Group and a Banding Group. A pressure transducer (Konigsberg Instruments Inc, Pasadena, CA, USA) and a flow probe (Transonic System Inc., Ithaca, NY) were implanted in the ascending aorta of all animals. Additionally, in the Banding Group, three strips of Teflon were wrapped around the ascending, transverse and proximal descending aorta. Bands were snugly fit around the aorta to reduce its expansion during the cardiac cycle and thus reduce compliance but without causing a pressure drop across the banded area (extensive description in Chapter 2). Measurements were taken after animal instrumentation and after performing the banding procedure (only in the Banding Group). Additionally, on the 2nd, 30th and 60th post-operative day (POD), the animals were anesthetized and mechanically ventilated similarly to the day of operation and another set of data recordings were conducted. The results of this study are presented in two distinct Chapters (Chapters 3 & 4). Chapter 3 describes the acute effects of decreased aortic compliance and analyzes the hemodynamic changes which accompany it. In this phase of the experiment a total of fourteen animals were used which were divided into two equal groups of seven. Chapter 4 describes the chronic effects of reduced aortic compliance on, both, the hemodynamic status of the animal as well as its effect on myocardial remodelling. In this phase of the experiment two groups of eight animals each were used. After the 2 month study period, the animals sacrificed, the heart was excised and histology sections were taken form the left ventricle. These sections were stained with hematoxylin-eosin, the images were digitized and mean cell surface area was obtained (Carl Zeiss Oberkochen, Germany & Photonic Science, Saint Etienne de Saint Geoirs, France & Kontron Electronik, GmbH, Eching, Germany ). ACUTE AORTIC COMPLIANCE REDUCTION After banding, compliance decreased by 52±13% (mean ± SEM) (p<0.01) while systolic and pulse pressure increased by 37±8% (p<0.05) and 87±31% (p<0.01), respectively. Diastolic pressure, mean blood pressure, cardiac output and systemic vascular resistance did not change significantly. Aortic characteristic impedance increased nearly 2.5 times. Amplitudes of forward and reflected pressure waves (derived from the aortic pressure wave) increased by 96±41% and 174± 46%, respectively (p<0.05), while the time delay between the two (phase difference) decreased by 36±7% (p<0.05). LONG-TERM AORTIC COMPLIANCE REDUCTION Banding decreased aortic compliance by 49±9%, 44±16%, and 42±7% (mean ± SEM) on the 2nd, 30th and 60th POD, respectively (p<0.05) while systolic pressure increased by 41±11%, 30±11%, and 35±12%, respectively (p<0.05) and pulse pressure by 86±27%, 76±21%, 88±23%, respectively (p<0.01). Diastolic pressure, cardiac output and vascular resistance remained unaltered throughout the study period. The mean left ventricle cell section area in the Control Group was 251±12 mm2, whereas in the Banding Group it was 351±17mm2, revealing a significant increase in cell mass (p< 0.001).
(EN)
