елементи

абстрактно

Коронарната артериална болест, обикновено резултат от силно тесни коронарни атеросклеротични лезии, е едно от най-смъртоносните заболявания в света1. В цялото дърво на коронарните артерии местата на бифуркация са склонни към развитието на атеросклеротична плака поради турбулентен кръвен поток. По същия начин рестенозата е по-вероятно да се появи в тази област след лечение с имплантиране на стент. Увеличението на клиничните доказателства показва, че стандартната стратегия за лечение на раздвоени лезии е имплантиране на единичен стент в главния съд с временно стентиране в страничните клонове.

Въпреки това, няма консенсус относно подробните места за индивидуална имплантация на стент при бифуркационни лезии, особено за някои подтипове на бифуркация. Например, неерозивната остеална коронарна стеноза е сравнително рядка и специална бифуркационна лезия, при която участва само един страничен клон на устната кухина (т.е., Medina класификация 0, 0, 1 или 0, 1, 0) 2. За лечението на този подтип 3, 4 са предложени няколко алтернативни стратегии за единичен стент, а именно „позициониране на имплантант на стент“, което включва прецизно стентиране на стент и кръстосано стентиране, което покрива клона на остиум. Фиг. 1 показва коронарна ангиограма, предоставена от болница в Пекин, Анжен. Фиг. 1А показва стеснена коронарна артерия с остиална стеноза (Medina 0, 1, 0 бифуркационна лезия) е отворена с прецизно остиално стентиране. Една година по-късно, както е показано на ФИГ. 1В, в стента е настъпила рестеноза, която е показана на фигурата с червени стрелки. Характеризирането на оптималното поставяне на стент в този бифуркационен подтип е от интерес за кардиолозите. За съжаление са проведени малко клинични проучвания за тази оценка, вероятно поради относително ниското разпространение на тази лезия и малкия брой проби. По този начин предпочитаният вариант на лечение все още е противоречив.

хирургия

( А) Картина на клинична ангиография от болница Анжен показва, че разклоненият съд със стеноза е разширен със стент веднага след PCI; ( Б. ) Рестеноза настъпи в позицията на стента една година след PCI, както е показано с червените стрелки; ( ° С ) Карикатурата показва тромбогенността на стента. Дебелината на стента въвежда нисък WSS, който улеснява растежа на епителните клетки и води до рестеноза; ( д ) Поставянето на стент може също да е повлияло на ниското ниво на WSS близо до стента. Сините области са възможни места на рестеноза, свързани със позицията на стента.

Изображение в пълен размер

Необходими са изследвания, за да се подобри лечението на тези стентативни проблеми. В исторически план проучванията показват, че различните стратегии на стентиране могат да доведат до различно разпределение и области с ниско срязване в раздели на бифуркация 5, 6. Промененият локален хемодинамичен профил, причинен от стента, може да бъде свързан с последваща повреда на стента (напр. Рестеноза на стента и тромбоза на стента), които остават клинично значими проблеми 5, 7, 8. В детайли два основни фактора са отговорни за рестенозата. Първо, ниското напрежение на стената (WSS) е тясно свързано със появата на стеноза, рестеноза на стента и тромбоза на стента, както е обсъдено по-горе. Фиг. 1С показва, когато стентът е поставен вътре в контейнера, металната конструкция генерира едновременно локализирани високи зони на WSS и ниско ниво на WSS поради своята незначителна дебелина (

В това проучване ние изследвахме оптимизирани стратегии за имплантиране на стентове в клиниката чрез симулация и експериментални подходи. В миналото хемодинамичните изследвания на коронарната бифуркация са извършвани най-вече чрез изчислителна динамика на течностите (CFD) върху идеални модели, като типични симулирани съдове "Y" 12, 13, 14. Нашето проучване предостави по-реалистичен подход и реконструира дигитален модел на съда от клиничния случай. CFD и свързаните с тях анализи осигуряват относително оптимизирана позиция на стента. В допълнение, моделът беше успешно създаден в ин витро настройки, използвайки технология за триизмерен печат. Чрез микроизработка бяха постигнати микрофлуидни чипове, имплантирани с истински стентове, за да имитират PCI хирургия in vivo. Хидродинамичните експерименти показват, че 3-D микрофлуидните модели са в голяма степен съвместими със симулираните резултати и 3-D моделът за печат е обещаващ метод за бъдещи изследвания на коронарните сърдечни заболявания.

Резултати и дискусия

CFD симулация

Както бе споменато по-горе, поставянето на стент вероятно ще повлияе на общата площ с нисък WSS и допълнително ще увеличи възможността за рестеноза. Фиг. 7А показва CFD анализ на четири типични стратегии за поставяне на стент на PCI. Основните клонове на съда бяха поставени отгоре и стентът беше присвоен на клона към долния десен ъгъл. Червените стрелки показват края на стента, а белите стрелки показват началната позиция на края на стента във вложката (а). Изчисленото WSS разпределение се демонстрира на повърхността на съда с промяна в цветовия градиент. Тъмно синьо и светло жълто представляват нисък WSS и висок WSS. Цветната линия показва, че WSS варира от 0,0 Pa до 2,0 Pa.

( A ) Симулацията на CFD илюстрира разпределението на WSS върху вътрешната повърхност на стените на съда, които са в различни стратегии за поставяне на стент от стентиране ( а ) след пресичане ( д ) ( Б. ) Разделянето на WSS на четири стратегии. Рядко проучване показа, че ниският коефициент на WSS (≤ 0, 4 Pa) допринася за висок риск от рестеноза, както е подчертано на фигурата; ( ° С ) Обобщение и сравнение на областите с нисък WSS (≤ 0, 4 Pa) в четири стратегии за позициониране на стента. Стратегия II беше най-добрата стратегия с най-малката площ с ниско ниво на WSS, а Стратегия IV има най-голяма площ.

Изображение в пълен размер

Фиг. 7В е графика на изчисленото WSS разпределение на вътрешната повърхност на съда на всички клонове. Предишни проучвания предполагат, че хемодинамичният стрес при срязване е важен при определяне на ендотелната функция и фенотипа. Срязващият стрес на артериално ниво (> 1,5 Pa) предизвиква ендотелен мир и атеропротективен профил на експресия на гена, докато ниският стрес на срязване (9, 12. Области с нисък WSS (WSS ≤ 0,4 Pa) е включен в нашия преглед на стратегията. Общата ниска площ на WSS във всяка стратегия посочва рисковете от рестеноза: колкото по-малка е тази област, толкова по-малък е шансът за рестеноза и по-добра стратегия. Фиг. 7C показва обобщение на областите с нисък WSS (

( A ) Резултатите от симулацията на CFD показват, че разпределението на скоростта по средното напречно сечение на главния клон в съдовете, когато стентът е имплантиран със стратегия II. Избрани са четири области на интерес за по-нататъшен анализ и сравнение с експеримент in vitro. Положението на стента в чип канала е показано в горната дясна част. ( Б. ) Течният поток се изобразява с обърнат микроскоп. Скоростите в точките за разпит в областите, съответстващи на симулацията, се маркират и измерват; ( ° С ) Посочените скорости показват, че експериментът и симулацията са задоволителни.

Изображение в пълен размер

Микрофлуиден експеримент

За да се тества възможността за in vivo микрофлуиден модел, на чипа бяха извършени допълнителни хидродинамични експерименти с триизмерен отпечатан модел. Тя последва стратегия II и остави стента, поставен в контейнера на PDMS, както е показано в горния десен ъгъл. Фиг. 8В показва траекториите на флуоресцентни частици в поток от глицерин-алкохол. В съответствие с резултатите от симулацията бяха открити четири области в микрофлуидния канал при абсолютно същите пространствени позиции на модела CFD, а вътрешните полеви потоци бяха изобразени и анализирани. Всяко изображение е получено чрез припокриване на пет последователни секции заедно и подробно поле на потока на избраните петна е показано на ФИГ. 8А. Тъй като дължината на пътя представлява скоростта на топката, колкото по-дълга е дължината, толкова по-висока е скоростта. Например, вложка (c) показва, че потокът е бил по-бавен в горния ляв ъгъл, но се е увеличил драстично в долната дясна посока. Този профил на полето беше много подобен на резултата от симулацията в зона (c), показана на ФИГ. 8А. За количествено определяне на полето на потока бяха избрани 3-4 позиции за разпит във всяка вложка, които бяха близо до стената на канала, и бяха изчислени техните скорости. Подробности за получаване на профили на скоростта са дадени по-горе в раздела "In vitro микрофлуиден експеримент".

Фиг. 8C показва сравнение на конкретни позиции за разпит (a, a2)

между измерените скорости в експеримента in vitro и резултатите от симулацията. Сините ленти са скоростите, измерени от експеримента in vitro, а червените са скоростите, получени от симулацията на CFD. По този начин беше предписана изследваната позиция: въз основа на центрираната позиция се определя площ с дължина 20 пиксела (

30 μm) и е приблизително успоредна на стената. От тази зона бяха избрани приблизително 20 траектории и средните им скорости бяха изчислени със стандартни грешки. Схемата показва, че експериментът и симулацията са имали задоволително съгласие, при което средната разлика е била само около 5%. Въпреки че вискозитетът и плътността на изкуствения разтвор не бяха същите като при човешката кръв, друго проучване показа, че разтворът все още може да имитира полето на потока на човешката кръв in vivo (вж. Допълнителна дискусия S2).

Траекториите на частиците могат да помогнат да се получи не само in vitro разпределението на скоростта, но и WSS, използвайки уравнение (3). WSS както в симулацията, така и в експеримента се изчислява, както следва. Скоростта на мястото, което е най-близо до стената на съда, се разделя на разстоянието му от стената на съда и след това се умножава по вискозитета. Таблица 1 показва, че експерименталният WSS е разделен на константа от 2,30, което се дължи на вариацията във вискозитета между изкуствената кръв и реалната кръв (η exp/η CFD = 8,06 × 10 −3 Pa · s/3, 5 × 10 - 3 Pa · s = 2,30, въз основа на уравнение [3]). Тъй като площ b не беше в непосредствена близост до стената на съда, WSS не беше изчислена; зона c имаше два резултата, защото имаше две типични зони на стените. Резултатите показаха, че експериментът е силно съгласуван с резултатите от симулацията с отклонения в диапазона от около 2% до 7%. В допълнение, както беше отбелязано по-горе, типичното ниско ниво на WSS, свързано със стеноза, е 10-3 Pa.s, което е по-високо от човешката кръв (3.5 x 10-3 Pa.s). Въпреки че нашият анализ показа, че решението може силно да симулира профили на човешкия кръвен поток с число на Рейнолдс Re

O (10), бъдещите изследвания ще се фокусират върху намирането на по-подходящи решения с индекс на пречупване и вискозитет по-близо до реалната кръв. Освен това, in vivo съдовете са силно еластични и деформируеми; настоящите чипове обаче имат фиксирани канали поради производствените процеси на PDMS. Следователно, проучването не извършва автоматично процеса на имплантиран стент и спонтанно увеличава и преоформя зоната на чумата. Бъдещите усилия ще бъдат фокусирани върху въвеждането на in vitro тънки и еластични съдове (с дебелина приблизително 3 mm) с актуализирани техники за микрофабрикация и постигане на по-реалистично моделиране. В допълнение, моделирането на еластична механика ще бъде разгледано в бъдещи CFD симулации. В допълнение, съдовите ендотелни клетки могат да бъдат култивирани и развити в каналите, което би било основна стъпка за приближаване до in vivo съдовата микросреда, както и да даде възможност за физиологично и хемодинамично изследване на поведението на епителните клетки вътре. Потоците също ще бъдат контролирани отвън, за да се симулира динамична кръв, изтичаща от сърцето.

заключения

В този доклад представихме нов подход за хемодинамични изследвания на коронарна болест на сърцето и изследвахме оптимизирани позиции на стентове в PCI. По отношение на микрофлуидите и технологията за триизмерен печат, изследването е проведено не само при симулация на CFD, но и при in vitro хидродинамика. Нашето проучване имаше три предимства. Първо, проучването се основава на истински и типичен клиничен пример и проучването се фокусира върху разработването на реалистичен подход и предоставянето на по-добра стратегия за клинична употреба. Второ, технологията за триизмерен печат е успешно използвана за изграждане на ин витро съдови конструкции. Трето, истински стентове бяха имплантирани в in vitro микрофлуиден модел, за да се експериментира експериментално позиционният им ефект. Предлаганият от нас метод се очаква да бъде окуражаващо начало и ще позволи по-нататъшни вълнуващи изследвания на ангиокардиопатия с бъдещи актуализирани техники.

Допълнителна информация

PDF файлове

Допълнителна информация

Коментари

Изпращайки коментар, вие се съгласявате да спазвате нашите Общи условия и насоки на общността. Ако смятате, че това е обидно действие, което не отговаря на нашите условия или насоки, моля, сигнализирайте за неподходящо.