Снижение стресса левых стенок левого желудочка и улучшение функции сердца в случае невозможности использования Algisyl-LVR
Summary
В данной статье описываются процедуры для имплантации гидрогеля в случае невозможности сердца и количественной его влияние на левом стресса стенки левого желудочка и функции. Эти процедуры были успешно применены у собак и людей.
Abstract
Инъекция Algisyl-LVR, лечение в клинических развития, предназначен для лечения пациентов с дилатационной кардиомиопатией. Эта обработка недавно был использован в первый раз у пациентов с симптоматической сердечной недостаточности. У всех пациентов, сердечная функция левого желудочка (ЛЖ) значительно улучшилось, о чем свидетельствует последовательное снижение объемов ЛЖ и напряжение стенки. Здесь мы опишем этот роман процедуры лечения и методов, используемых для количественной его воздействие на стенки ЛЖ стресса и функции.
Algisyl-LVR является биополимера гель, состоящий из Na +-альгината и Ca 2 +-альгината. Лечебной процедуры проводили смешивание этих двух компонентов, а затем объединение их в один шприц для инъекций интрамиокардиальной. Эту смесь вводят от 10 до 19 местах на полпути между основанием и вершиной стене LV свободно у пациентов.
Магнитно-резонансная томография (МРТ), а такжес математическим моделированием, была использована для количественной оценки последствий такого лечения у пациентов до лечения и в различные моменты времени во время восстановления. Эпикарда и эндокарда поверхности были первые оцифрованные с МРТ для восстановления геометрии LV в конце систолы и в конце диастолы. Левый объемы полость желудочка затем измеряли из этих реконструированных поверхностей.
Математические модели LV были созданы из этих МРТ-реконструированных поверхностей для расчета региональных стресса мышечное волокно. Каждая модель LV была построена таким образом, что 1) она деформируется в соответствии с ранее подтверждены напряжением и деформацией миокарда и 2) предсказанные полости ЛЖ объемом от этих моделей совпадают с соответствующими МРТ измеренный объем в конце диастолы и конец систолы . Диастолического наполнения моделировалась загрузки LV эндокардиальными поверхности с заданной конечного диастолического давления. Систолического сокращения моделировалась одновременно загрузку концаocardial поверхности с заданной конечного систолического давления и добавления активного сокращения в направлении мышечных волокон. Региональные стресса мышечное волокно в конце диастолы и конце систолы была вычислена из деформированных LV основан на напряженно-деформированное отношение.
Introduction
Сокращение желудочков стресса стены считается краеугольным камнем в лечении сердечной недостаточности 1. В своей простейшей форме определяется законом Лапласа, напряжение стенки желудочка прямо пропорциональна диаметру желудочка и давление в желудочке и обратно пропорциональна толщине стенки желудочка. Широко распространено мнение, что повышенное напряжение стенок левого желудочка несет ответственность за неблагоприятный процесс ремоделирования, в котором желудочки постепенно стать расширенными, в конечном итоге приводит к сердечной недостаточности 2. Клинические и исследования на животных показали, что повышенный стресс стены вызывает изменения в белках, синтез сократительных элементов и экспрессия генов, которые поддерживают процесс ремоделирования 3,4,5. Увеличение напряжения стенки также было показано, чтобы быть независимым предиктором последующего ремоделирования ЛЖ 6,7.
Много новых хирургических методов лечения и устройства были разработаны с ACЕНТРАЛЬНОЙ целью снижения стресса стенки желудочка в попытке предотвратить и обратить вспять прогрессирование сердечной недостаточности у пациентов, 8,9,10. Хотя эти методы лечения одни и те же цели, они этого добиваются по-разному. Например, хирургические процедуры снижение желудочковой 10 стремится уменьшить напряжение стенки желудочка хирургическим путем уменьшения размера расширенной левого желудочка, но его результатом является предметом спора 11,12.
В последнее время инъекции из биосовместимого материала, Algisyl-НВО, в левый желудочек в качестве лечения дилатационной кардиомиопатии привлекло значительное внимание в медицинском сообществе. Это лечение было показано, чтобы быть эффективным в предотвращении или даже обратить вспять прогрессирование сердечной недостаточности в исследованиях на животных 13,14 и, совсем недавно, в человеческой клинических испытаний 15. В отличие от других устройств, эта процедура направлена на снижение напряжения стенки желудочка путем введения материала встенки левого желудочка, чтобы сгустить его.
Детальное знание желудочка стресса стенки, особенно у людей, однако, пока не удается. Это отсутствие информации в первую очередь из-за силы или напряжения не может быть измерена непосредственно в интактном желудочков 16. Хотя замкнутой форме аналитических выражений, таких как закон Лапласа можно оценить левую стресса стенки левого желудочка, они были разработаны на основе ограничительных предположений, которые включают оси симметрии Л.В., изотропии и однородности материала в LV. Из-за этих факторов, предсказание желудочка стресса стены в реальных LV используя закон Лапласа неточно 17. Чтобы снять эти ограничения и получить более точный прогноз напряжение стенки желудочка, математического моделирования с использованием метода конечных элементов (FE) методом с конкретного пациента желудочковой геометрия должна быть использована вместо закона упрощенной Лапласа 17.
Метод FE является NUЧисленный метод, который часто используется для решения множества уравнений в частных производных (PDE), описывающий краевой задачи. Этот метод особенно полезен при закрытой форме раствора трудно или невозможно получить аналитически. В контексте математической модели LV использоваться для количественного напряжение стенки желудочка, множество ФДЭ являются управляющие уравнения механического равновесия (баланса импульса), которые описывают движение LV когда давление или нагрузка на поверхность эндокарда Л.В.. Когда метод FE используется, стенки ЛЖ разделяется на взаимосвязанные поддоменов или элементов (как правило, шестигранники с 8 узлами углу), которые деформируются в соответствии с установленной напряжением и деформацией миокарда.
Напряженно-деформированное соотношения, описывающие большие деформации при пассивном LV наполнения в диастолу и во время активного сокращения в систолу были ранее подтверждены в крупных исследованиях на животных. LV моделируетсяпримерно в три раза жесткими в направлении мышечных волокон, чем в направлениях, перпендикулярных направлению мышечных волокон во время диастолы 18. Активное сокращение систолы моделируется путем увеличения жесткости LV вдоль миофибрилл направлении. Это увеличение жесткости является функцией времени и в зависимости от экспериментально определенных переменных, таких как внутриклеточной концентрации кальция и длины саркомера 19.
С помощью этого предписанное напряжением и деформацией миокарда, метод FE вычисляет новое положение узловой в зависимости от нагрузки (ы) применяется к НН. Как только новые позиции узловой вычисляются, Полученный штамм (мера деформации) и стресс может быть определен в каждом элементе для получения напряжения и деформации распределение в ЛЖ.
Здесь мы опишем шаги, необходимые для имплантации Algisyl-LVR у пациентов и для создания соответствующей конкретного пациента LVматематических моделей до и после лечения для количественной оценки напряжения стенки ЛЖ.
Protocol
Representative Results
Discussion
Algisyl-LVR инъекционной терапии
Инъекция материала в свободной стенки ЛЖ, чтобы уменьшить напряжение стенки желудочка является новым обработки, предназначенных для пациентов с дилатационной кардиомиопатией. Это лечение подает большие надежды как в доклинических и клинических исследований 15. Рандомизированное контролируемое исследование, чтобы оценить это лечение как метод увеличения LV для пациентов с тяжелой сердечной недостаточностью (увеличить-HF) идет уже с февраля 2012 года.
Несколько итераций продукта в настоящее время разрабатываются, что ориентированы на различные сегменты врачом и клиническим потребностям. В хирургическом версии продукта для кардио-хирурги, альгинат поставляться в стандартной шприц и иглу пользовательские системы предназначены для хирургам выполнять инъекции через небольшой хирургический разрез в груди (минимальный торакотомия). Имплантат процедура выполняется на работающем сердце. Физические свойства альгината HYDРоджеля при инъекции в миокард подобны тем, что из диастолическое миокарде, и становится постоянным имплантата. Продолжительность общей процедурой оперативного, как ожидается, будет меньше, чем 60 минут в большинстве случаев ограничения воздействия на пациента минимальное время анестезии. Вторая версия продукта может предложить пациентам с сердечной недостаточностью процедура, которая может быть выполнена интервенционных кардиологов, а в некоторых отдельных случаях, других специалистов в неинвазивной кардиологии или гибридные лаборатории. Это также позволит острые эффекты должны быть изучены.
Количественная оценка левой стресса желудочка Используя математическое моделирование
Метод использования математического моделирования с методом FE в настоящее время является единственным способом дать точную количественную в естественных условиях регионального стресса стене в желудочки. Сочетание математического моделирования с медицинской визуализации, таких как МРТ позволяет вычислить в естественных условиях регионального стресса стене в конкретных пациентов VENtricles таким образом, чтобы помочь понять функциональное состояние этих желудочков и количественной оценки механических эффектов инъекции в лечении пациентов.
Сколько бы мы ни относились к LV, однородным материалом здесь, этот метод может быть (и была) распространяется на количественное в естественных условиях стресса стенки желудочка в неоднородных желудочков, в частности, при инфаркте миокарда присутствует. В таких случаях границы инфаркта и прилегающих к ней приграничной должны быть определены с использованием гадолиния МРТ в качестве контрастного агента. Эти границы импортированы в TrueGrid создать элементы, которые чисто находиться внутри каждой отдельной области, а именно, инфаркт, приграничной и отдаленном районе. Материал параметров, отражающих патологические изменения в каждой области могут быть назначены через соответствующие элементы в LS-DYNA. Эти параметры были обнаружены у пациентов с инфарктом миокарда использованием в естественных инфаркт деформации, измеренную от меченый МРТ21. Пациенты, которые требуют хирургической реваскуляризации будет часто испытывают фибрилляции предсердий во время послеоперационного периода, что связано с очень плохим качеством отмеченных данным МРТ. Такие пациенты также потребуется несколько дней, чтобы восстановиться после операции. Таким образом, 3D эхокардиография и спекл-слежения может быть более подходящим методом визуализации и инфаркта метод измерения нагрузки, чем отмеченных МРТ для изучения острые эффекты хирургических процедур.
Наконец, мы использовали коммерческое программное обеспечение Rapidform, Truegrid и LS-DYNA в процессе создания конкретного пациента математические модели желудочков, потому что мы нашли их в целом эффективной в достижении своих соответствующих задач. Тем не менее, другое программное обеспечение можно, например, Cubit (для генерации сетки КЭ) и Abaqus (решатель FE), которые также могут быть пригодны для создания математических моделей желудочков.
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Это исследование было поддержано Национальным сердца, легких и крови институт грантов R01-HL-77921 и -86400 (для JM Гуччионе).
Materials
| REGENTS | |||
| Na+-Alginate | LoneStar Heart, Inc | ||
| Ca2+-Alginate | LoneStar Heart, Inc | ||
| EQUIPMENT | |||
| MevisLab | Mevis Medical Solution | ||
| TrueGrid | XYZ Scientific Application, Inc | ||
| Rapidform | Inus Technology, Inc | ||
| LS-Dyna | Livermore Software Technology Corporation |
Riferimenti
- Yin, F. C. Ventricular wall stress. Circ. Res. 49 (4), 829-842 (1981).
- Grossman, W. Cardiac hypertrophy: useful adaptation or pathologic process. Am. J. Med. 69 (4), 576-584 (1980).
- Swynghedauw, B. Development and functional adaptation of contractile proteins in cardiac and skeletal muscles. Physiol. Rev. 66 (3), 710-771 (1986).
- Komuro, I., Kurabayashi, M., Takaku, F., Yazaki, Y. Expression ofcellular oncogenes in the myocardium during the developmental stage and pressure-overloaded hypertrophy of the rat heart. Circ. Res. 62 (6), 1075-1079 (1988).
- Schunkert, H., Dzau, V. J., Tang, S. S., Hirsch, A. T., Apstein, C. S., Lorell, B. H. Increased rat cardiac angiotensin converting enzyme activity and mRNA expression in pressure overload left ventricular hypertrophy: effect on coronary resistance, contractility, and relaxation. J. Clin. Invest. 86 (6), 913-920 (1990).
- Aikawa, Y., Rohde, L., Plehn, J., Greaves, S. C., Menapace, F., Arnold, M. O., Rouleau, J. L., Pfeffer, M. A., Lee, R. T., Solomon, S. D. Regional wall stress predicts ventricular remodeling after anteroseptal myocardial infarction in the Healing and Early Afterload Reducing Trial (HEART): an echocardiography-based structural analysis. Am. Heart J. 141 (2), 234-242 (2001).
- Hung, C. L., Verman, A., Uno, H., Shin, S. H., Bourgoun, M., Hassanein, A. H., McMurray, J. J., Velazquez, E. J., Kober, L., Pfeffer, M. A., Solomon, S. D. VALIANT investigators. Longitudinal and Circumferential Strain Rate, Left Ventricular Remodeling, and Prognosis After Myocardial Infarction. J. Am. Coll. Cardiol. 56 (22), 1812-1822 (2010).
- Mann, D. L., Acker, M. A., Jessup, M., Sabbah, H. N., Starling, R. C., Kubo, S. H. Clinical evaluation of the CorCap Cardiac support device in patients with dilated cardiomyopathy. Ann. Thorac. Surg. 84 (4), 1226-1235 (2007).
- Grossi, E. A., Patel, N., Woo, J. Y., Goldberg, J. D., Schwartz, C. F., Subramanian, V., Feldman, T., Bourge, R., Baumgartner, N., Genco, C., et al. for the RESTOR-MV Study Group. Outcomes of the RESTOR-MV trial (randomized evaluation of a surgical treatment for off-pump repair of the mitral valve). J. Am. Coll. Cardiol. 56 (24), 1984-1993 (2010).
- Athanasuleas, C. L., Stanley, A. W. H., Buckberg, G. D. Restoration of contractile function in the enlarged left ventricle by exclusion of remodeled akinetic anterior segment: surgical strategy, myocardial protection and angiographic results. J. Card. Surg. 13 (6), 418-428 (1998).
- Jones, R. H., Velazquez, E. J., Michler, R. E., Sopko, G., Oh, J. K., O’Connor, C. M., Hill, J. A., Menicanti, L., Sadowski, Z., Desvigne-Nickens, P., Rouleau, J. L., Lee, K. L. STICH Hypothesis 2 Investigators. Coronary bypass surgery with or without surgical ventricular reconstruction. N. Engl. J. Med. 360 (17), 1705-1717 (2009).
- Buckberg, G. D., Athanasuleas, C. L., Wechsler, A. S., Beyersdorf, F., Conte, J. V., Strobeck, J. E. The STICH trial unravelled. Eur. J. Heart Fail. 12 (10), 1024-1027 (2010).
- Sabbah, H. N., Wang, M., Jiang, A., Ilsar, I., Sabbah, M. S., Helgerson, S., Peterson, R., Tarazona, N., Lee, R. Circumferential mid-ventricular intramyocardial injections of alginate hydrogel improve left ventricular function and prevent progressive remodeling in dogs with chronic heart failure. Circulation. 120, S912 .
- Yu, J., Christman, K. L., Chin, E., Sievers, R. E., Saeed, M., Lee, R. J. Restoration of left ventricular geometry and improvement of left ventricular function in a rodent model of chronic ischemic cardiomyopathy. J. Thorac. Cardiovasc. Surg. 137 (1), 180-187 (2009).
- Lee, R. J., Hinson, A., Helgerson, S., Bauerschmitt, R., Sabbah, H. N. Polymer-based restoration of left ventricular mechanics. Cell Transplant. 22 (3), 529-533 (2013).
- Huisman, R. M., Elzinga, G., Westerhof, N., Sipkema, P. Measurement of left ventricular wall stress. Cardiovasc. Res. 14 (3), 142-153 (1980).
- Zhang, Z., Tendulkar, A., Sun, K., Saloner, D. A., Wallace, A. W., Ge, L., Guccione, J. M., Ratcliffe, M. B. Comparison of the Young-Laplace law and finite element based calculation of ventricular wall stress: implications for post infarct and surgical ventricular remodeling. Ann. Thorac. Surg. 91 (1), 150-156 (2011).
- Guccione, J. M., McCulloch, A. D., Waldman, L. K. Passive material properties of intact ventricular myocardium determined from a cylindrical model. J. Biomech. Eng. 113 (1), 42-55 (1991).
- Guccione, J. M., Waldman, L. K., McCulloch, A. D. Mechanics of active contraction in cardiac muscle: Part II–Cylindrical models of the systolic left ventricle. J. Biomech. Eng. 115 (1), 82-90 (1993).
- Zhang, P., Guccione, J. M., Nicholas, S. I., Walker, J. C., Crawford, P. C., Shamal, A., Acevedo-Bolton, G., Guttman, M. A., Ozturk, C., McVeigh, E. R., Saloner, D. A., Wallace, A. W., Ratcliffe, M. B. Endoventricular patch plasty for dyskinetic anteroapical left ventricular aneurysm increases systolic circumferential shortening in sheep. J. Thorac. Cardiovasc. Surg. 134 (4), 1017-1024 (2007).
- Wenk, J. F., Klepach, D., Lee, L. C., Zhang, Z., Ge, L., Tseng, E. E., Martin, A., Kozerke, S., Gorman, J. H. 3. r. d., Gorman, R. C., Guccione, J. M. First evidence of depressed contractility in the border zone of a human myocardial infarction. Ann. Thorac. Surg. 93 (4), 1188-1193 (2012).
- Guccione, J. M., Kassab, G. S., Ratcliffe, M. B. . Computational cardiovascular mechanics: modeling and applications in heart failure. , (2010).
- Streeter, D. D., Spotnitz, H. M., Patel, D. P., Ross, J., Sonnenblick, E. H. Fiber Orientation in the Canine Left Ventricle during Diastole and Systole. Circ. Res. 24 (3), 339-347 (1969).
