obiecte

abstract

Boala arterială coronariană, de obicei rezultatul leziunilor aterosclerotice coronare sever înguste, este una dintre cele mai mortale boli din lume1. În tot arborele coronar, locurile de bifurcație sunt predispuse la dezvoltarea plăcii aterosclerotice datorită fluxului sanguin turbulent. În mod similar, restenoza este mai probabil să apară în această zonă după tratamentul de implantare a stentului. Creșterea dovezilor clinice a arătat că strategia standard pentru tratamentul leziunilor bifurcate a fost o singură implantare de stent în vasul principal cu stentare temporară în ramurile laterale.

Cu toate acestea, nu există un consens cu privire la siturile detaliate ale implantării stentului individual în leziunile de bifurcație, în special pentru unele subtipuri de bifurcație. De exemplu, stenoza coronariană ostială neerozivă este o leziune de bifurcație relativ rară și specială în care este implicată doar o ramură laterală a ostiumului (de exemplu, clasificarea Medina 0, 0, 1 sau 0, 1, 0) 2. Au fost propuse mai multe strategii alternative de stent unic pentru tratamentul acestui subtip 3, 4, și anume „poziționarea implantului de stent”, care include stenturi precise și stenturi încrucișate care acoperă ramura ostiumului. FIG. 1 prezintă o angiogramă coronariană oferită de un spital din Beijing, Anzhen. FIG. 1A prezintă o arteră coronariană îngustată cu stenoză ostială (leziune de bifurcație Medina 0, 1, 0) a fost deschisă cu stentare ostială precisă. Un an mai târziu, după cum se arată în FIG. 1B, restenoză a avut loc în stent, care este prezentat în figură de săgeți roșii. Caracterizarea plasării optime a stentului în acest subtip de bifurcație este de interes pentru cardiologi. Din păcate, puține studii clinice au fost efectuate pentru această evaluare, probabil din cauza prevalenței relativ scăzute a acestei leziuni și a numărului mic de probe. Astfel, opțiunea de tratament preferată este încă controversată.

tridimensionale

( A) O imagine a angiografiei clinice de la Spitalul Anzhen arată că vasul ramificat cu stenoză a fost extins cu un stent imediat după PCI; ( B ) Restenoza a avut loc la poziția stentului la un an după PCI, după cum indică săgețile roșii; ( C ) Desene animate arată trombogenicitatea stentului. Grosimea stentului a introdus WSS scăzut, ceea ce a facilitat creșterea celulelor epiteliale și a dus la restenoză; ( D ) Amplasarea stentului poate fi afectată, de asemenea, zona WSS scăzută din apropierea stentului. Zonele albastre sunt posibile locuri de restenoză legate de poziția stentului.

Imagine la dimensiune completă

Sunt necesare cercetări pentru a îmbunătăți tratamentul acestor probleme stentative. Din punct de vedere istoric, studiile au arătat că diferite strategii de stentare ar putea duce la diferite distribuții și zone cu forfecare mică în secțiunile de bifurcație 5, 6. Profilul hemodinamic local modificat cauzat de stent poate fi asociat cu insuficiența ulterioară a stentului (de exemplu, restenoza stentului și tromboza stentului), care rămân probleme semnificative clinic 5, 7, 8. În detaliu, doi factori principali sunt responsabili pentru restenoza. În primul rând, tensiunea scăzută a peretelui (WSS) este strâns legată de apariția stenozei, restenozei stentului și a trombozei stentului, așa cum s-a discutat mai sus. FIG. 1C arată când stentul este plasat în interiorul containerului, structura metalică generează zone înalte localizate de WSS și WSS scăzut în același timp datorită grosimii sale neglijabile (

În acest studiu, am investigat strategiile optimizate de implantare a stentului în clinică atât prin simulare, cât și prin abordări experimentale. În trecut, studiile hemodinamice ale bifurcației coronariene au fost efectuate în principal prin dinamica calculată a fluidelor (CFD) pe modele ideale, cum ar fi vasele tipice "Y" simulate 12, 13, 14. Studiul nostru a oferit o abordare mai realistă și a reconstituit un model digital al navei din cazul clinicii. CFD-urile și analizele conexe au oferit o poziție de stent relativ optimizată. În plus, modelul a fost creat cu succes în setări in vitro folosind tehnologia de imprimare 3D. Folosind microfabricarea, cipurile microfluidice implantate cu stenturi reale au fost realizate pentru a imita intervenția chirurgicală PCI in vivo. Experimentele hidrodinamice au arătat că modelele 3-D microfluidice au fost extrem de consistente cu rezultatele simulate, iar modelul de imprimare 3D este o metodă promițătoare pentru viitoarele studii de boli coronariene.

rezultate si discutii

Simulare CFD

Așa cum s-a menționat mai sus, plasarea stentului va afecta probabil suprafața totală a WSS scăzut și va crește și mai mult posibilitatea de restenoză. FIG. 7A arată o analiză CFD a patru strategii tipice de plasare a stentului PCI. Ramurile principale ale vasului au fost plasate deasupra și stentul a fost atribuit ramurii către colțul din dreapta jos. Săgețile roșii indică sfârșitul stentului, iar săgețile albe indică poziția inițială a sfârșitului stentului în insert (a). Distribuția WSS calculată este demonstrată pe suprafața vasului cu o modificare a gradientului de culoare. Albastru închis și galben deschis reprezintă WSS scăzut și WSS înalt. Linia colorată indică faptul că WSS a variat de la 0,0 Pa la 2,0 Pa.

( A ) Simularea CFD ilustrează distribuția WSS pe suprafața interioară a pereților vasului, care se află în diferite strategii de plasare a stentului de la stentul stentului ( A ) după traversare ( d ) ( B ) Împărțirea AAC în patru strategii. Un studiu rar a arătat că WSS scăzut (≤ 0,4 Pa) a contribuit la riscul ridicat de restenoză, după cum se evidențiază în figură; ( C ) Rezumatul și compararea zonelor cu WSS scăzut (≤ 0, 4 Pa) în patru strategii de poziționare a stentului. Strategia II a fost cea mai bună strategie cu cea mai mică zonă cu WSS scăzut și Strategia IV are cea mai mare zonă.

Imagine la dimensiune completă

FIG. 7B este un grafic al distribuției WSS calculate pe suprafața interioară a vasului a tuturor ramurilor. Studiile anterioare au sugerat că stresul de forfecare hemodinamic este important în determinarea funcției endoteliale și a fenotipului. Stresul de forfecare la nivel arterial (> 1,5 Pa) induce pacea endotelială și profilul de expresie a genei ateroprotectoare, în timp ce stresul de forfecare scăzut (9, 12. Zonele WSS scăzute (WSS ≤ 0,4 Pa) sunt, prin urmare, incluse în revizuirea strategiei noastre. din fiecare strategie indică riscurile de restenoză: cu cât această zonă este mai mică, cu atât mai puține șanse de restenoză și o strategie mai bună Fig. 7C prezintă un rezumat al zonelor cu WSS scăzut (

( A ) Rezultatele simulării CFD au arătat că distribuția vitezei de-a lungul secțiunii medii a ramurii principale în vase când stentul a fost implantat cu strategia II. Patru domenii de interes au fost selectate pentru analize suplimentare și comparații cu un experiment in vitro. Poziția stentului în canalul cipului este prezentată în partea dreaptă sus. ( B ) Fluxul de fluid a fost imaginat cu un microscop inversat. Vitezele la punctele de interogare din regiunile corespunzătoare simulării sunt marcate și măsurate; ( C ) Vitezele indicate au arătat că experimentul și simularea au fost satisfăcătoare.

Imagine la dimensiune completă

Experiment microfluidic

Pentru a testa fezabilitatea unui model microfluidic in vivo, s-a efectuat o experimentare hidrodinamică suplimentară cu un model imprimat 3-D pe cip. Ea a urmat strategia II și a lăsat stentul plasat în containerul PDMS așa cum se arată în dreapta sus. FIG. 8B prezintă traiectoria particulelor fluorescente într-un flux de soluție glicerină-alcool. În concordanță cu rezultatele simulării, patru regiuni au fost găsite în canalul microfluidic la exact aceleași poziții spațiale ale modelului CFD, iar câmpurile de flux intern au fost imaginate și analizate. Fiecare imagine a fost obținută prin suprapunerea a cinci secțiuni consecutive împreună și un câmp de flux detaliat al punctelor selectate este prezentat în FIG. 8A. Deoarece lungimea traseului reprezintă viteza mingii, cu cât lungimea este mai mare, cu atât este mai mare viteza. De exemplu, inserția (c) arată că fluxul a fost mai lent în colțul din stânga sus, dar a crescut dramatic în direcția din dreapta jos. Acest profil de câmp a fost foarte similar cu rezultatul simulării în zona (c) prezentat în FIG. 8A. Pentru a cuantifica câmpul de curgere, au fost selectate 3-4 poziții de interogare în fiecare inserție, care erau aproape de peretele canalului, iar viteza lor a fost calculată. Detalii despre obținerea profilurilor de viteză au fost date mai sus în secțiunea „Experiment microfluidic in vitro”.

FIG. 8C arată o comparație a pozițiilor specifice de interogare (a, a2)

între ratele măsurate în experimentul in vitro și rezultatele simulării. Barele albastre sunt ratele măsurate din experimentul in vitro, iar barele roșii sunt ratele obținute din simularea CFD. În acest fel, poziția investigată a fost prescrisă: pe baza poziției centrate, este definită o zonă care are o lungime de 20 de pixeli (

30 μm) și este aproximativ paralel cu peretele. Din această zonă au fost selectate aproximativ 20 de traiectorii, iar viteza lor medie a fost calculată cu erori standard. Schema arată că experimentul și simularea au avut un acord satisfăcător în care diferența medie a fost de doar aproximativ 5%. Deși vâscozitatea și densitatea soluției artificiale nu au fost aceleași ca și pentru sângele uman, un alt studiu a arătat că soluția ar putea totuși să imite câmpul de flux al sângelui uman in vivo (vezi Discuția suplimentară S2).

Traiectele particulelor ar putea ajuta la obținerea nu numai a distribuției in vitro a vitezei, ci și a WSS folosind ecuația (3). WSS atât în ​​simulare, cât și în experiment, se calculează după cum urmează. Viteza locului cel mai apropiat de peretele vasului a fost împărțită la distanța sa față de peretele vasului și apoi înmulțită cu vâscozitatea. Tabelul 1 arată că WSS experimental a fost împărțit la o constantă de 2,30, care a fost cauzată de variația vâscozității dintre sângele artificial și sângele real (η exp/η CFD = 8,06 × 10 −3 Pa · s/3, 5 × 10 - 3 Pa · s = 2,30, pe baza ecuației [3]). Deoarece zona b nu era adiacentă la peretele navei, WSS nu a fost calculat; zona c a avut două rezultate deoarece avea două zone tipice de perete. Rezultatele au arătat că experimentul a fost extrem de consistent cu rezultatele simulării, cu abateri variind de la aproximativ 2% la 7%. În plus, după cum sa menționat mai sus, WSS tipic scăzut asociat cu stenoză a fost de 10-3 Pa.s, care a fost mai mare decât sângele uman (3,5 x 10-3 Pa.s). Deși analiza noastră a arătat că soluția ar putea simula foarte mult profilurile fluxului sanguin uman cu un număr Reynolds Re

O (10), cercetările viitoare se vor concentra pe găsirea unor soluții mai potrivite cu indice de refracție și vâscozitate mai aproape de sângele real. În plus, vasele in vivo sunt foarte elastice și deformabile; cu toate acestea, cipurile actuale au canale fixe datorită proceselor de fabricație PDMS. Prin urmare, studiul nu a efectuat procesul de implantare a stentului implantat automat și a mărit spontan și a remodelat zona ciumei. Eforturile viitoare se vor concentra pe introducerea in vitro a vaselor subțiri și elastice (aproximativ 3 mm grosime) cu tehnici de microfabricare actualizate și realizarea unei modelări mai realiste. În plus, modelarea mecanicii elastice va fi luată în considerare în viitoarele simulări CFD. În plus, celulele endoteliale vasculare ar putea fi cultivate și dezvoltate în canale, ceea ce ar constitui un pas major în abordarea microambientului vascular in vivo, precum și posibilitatea unui studiu fiziologic și hemodinamic al comportamentului celulelor epiteliale din interior. Fluxurile ar fi, de asemenea, controlate extern pentru a simula sângele dinamic care curge din inimă.

concluzii

În acest raport, am prezentat o nouă abordare pentru studiile hemodinamice ale bolilor coronariene și am examinat pozițiile stent optimizate în PCI. În ceea ce privește microfluidica și tehnologia de imprimare 3D, cercetarea a fost efectuată nu numai în simularea CFD, ci și în hidrodinamica in vitro. Studiul nostru a avut trei avantaje. În primul rând, studiul s-a bazat pe un exemplu clinic adevărat și tipic, iar studiul s-a concentrat pe dezvoltarea unei abordări realiste și furnizarea unei strategii mai bune pentru utilizarea clinică. În al doilea rând, tehnologia de imprimare 3D a fost utilizată cu succes pentru a construi structuri de nave in vitro. În al treilea rând, stenturile reale au fost implantate într-un model microfluidic in vitro pentru a testa experimental efectul lor de poziție. Metoda noastră propusă este de așteptat să fie un început încurajator și va permite studii suplimentare interesante despre angiocardiopatie cu viitoare tehnici actualizate.

Informatii suplimentare

Fișiere PDF

Informatii suplimentare

Comentarii

Prin trimiterea unui comentariu, sunteți de acord să respectați Termenii și condițiile și Regulile comunității. Dacă considerați că acesta este un act ofensator care nu este conform cu termenii sau liniile directoare, vă rugăm să îl marcați ca fiind inadecvat.