Нарушения биомеханики восходящего отдела аорты при пограничном расширении и аневризме

Острое расслоение и разрыв аортальной стенки часто являются фатальными осложнениями, профилактика которых возможна только при своевременном хирургическом вмешательстве. В настоящее время во всех клинических руководствах и рекомендациях в качестве критерия принятия решения о резекции аневризмы используется диаметр восходящей аорты (ВА), превышающий 5,5 см [1][2]. В то же время следует отметить, что аневризмы с диаметром, превышающим этот хирургический порог, могут длительно оставаться стабильными, и наоборот, при диаметре дилатированной ВА <4,5 см известны случаи разрыва аортальной стенки, частота которых, по данным литературы, составляет ~40% [3-5]. В связи с этим, по мнению многих исследователей, необходим поиск новых дополнительных критериев для выявления больных, подверженных риску расслоения или разрыва аортальной стенки [4-8].

Аневризма ВА — это постоянно эволюционирующая структура, т.к. и геометрия, и свойства ткани аортальной стенки изменяются по мере роста аневризмы. Гистологические исследования показали, что аневризмы ВА возникают в результате патологического ремоделирования стенки сосуда, при котором наиболее часто происходит активация матриксных металлопротеиназ, истончение и фрагментация эластических пластин, апоптоз гладкомышечных клеток, отложение коллагена и накопление внеклеточных гликозаминогликанов [3][5]. Тканевое ремоделирование прогрессирует с увеличением диаметра аорты и изменяет биомеханические свойства аортальной стенки, приводя к утрате эластико-тонических свойств и повышению жесткости [3][5][6][8]. Разрыв и расслоение аорты происходят в результате полной утраты механической прочности аортальной стенки [3][5]. Ряд исследователей считают, что нарушение биомеханики стенки аорты, в частности, способности к деформации, может быть информативным маркером её гистологической целостности [3-8]. Согласно их мнению, биомеханические характеристики аортальной стенки могут являться более чувствительным показателем риска аорто-ассоциированных осложнений, чем только размер аорты [3-8].

Длительный период времени основным ограничением для использования показателей биомеханики в прогнозировании риска аорто-ассоциированных осложнений аневризм ВА являлось отсутствие неинвазивного метода измерения биомеханических свойств стенки аорты in vivo. В последние годы наблюдается интерес к оценке биомеханики стенки ВА в клинических условиях благодаря внедрению новой технологии 2D (двухмерной) speckle-tracking чреспищеводной эхокардиографии (ЧПЭхоКГ), позволяющей рассчитывать циркумференциальный стрейн ткани (деформацию по окружности) [8][9]. Speckle-tracking ("след пятна") — это эхокардиографический метод визуализации, который позволяет измерять движение миокарда, используя естественные спекл-паттерны в ткани, создаваемые ультразвуковым лучом во время серошкальной визуализации сердца. Движение спеклов во время систолы и диастолы позволяет рассчитать деформацию миокарда в продольном, радиальном и циркумференциальном направлениях. Для оценки глобальной деформации по окружности сосудистой стенки была экстраполирована ультразвуковая модель оценки циркумференциального и радиального стрейна миокарда левого желудочка (ЛЖ) по короткой оси, которая хорошо изучена и апробирована в клинических условиях в течение длительного времени [10]. Кроме того, в экспериментальном исследовании Petrini J, et al. [11] получены данные о высокой точности 2D speckle-tracking ЧПЭхоКГ в количественной оценке деформационных характеристик аортальной стенки при сравнении с сономикрометрией.

Суммируя вышеизложенное, мы предположили, что 2D ЧПЭхоКГ с использованием технологии speckle-tracking может быть использована для оценки циркумференциального стрейна стенки ВА во время сердечного цикла. Вероятно, это исследование будет первым шагом к определению возможности использования показателей деформации аортальной стенки, полученных при эхокардиографическом отслеживании спеклов, в качестве дополнительного критерия при стратификации риска осложнений у больных с аневризмами ВА и принятии решения о необходимости хирургического лечения.

Целью исследования являлся сравнительный анализ нарушений биомеханики восходящего отдела аорты при пограничном расширении и аневризме с помощью посегментной ультразвуковой оценки деформационных характеристик аортальной стенки.

Материал и методы

В исследование включено 43 человека (28 мужчин и 15 женщин): 1 группа — 11 здоровых добровольцев, все мужчины (средний возраст 39 (37; 47) лет, диаметр ВА <40 мм), у которых при обследовании не выявлено факторов риска и признаков сердечно-сосудистых заболеваний; 2 группа — 15 больных с пограничным расширением ВА (средний возраст 62 (57; 69) лет, диаметр ВА 40-49 мм) и 3 группа — 17 больных с аневризмой ВА без признаков расслоения аортальной стенки (средний возраст 67 (60; 72) лет, диаметр ВА ≥50 мм). Клиническая характеристика больных представлена в таблице 1.

Мультиплановая 2D ЧПЭхоКГ выполнена в соответствии со стандартами надлежащей клинической практики, принципами Хельсинкской декларации и одобрена комитетом по биомедицинской этике (протокол № 213 от 12.05.2021г). Все больные и лица контрольной группы дали письменное информированное согласие на участие в исследовании. Критериями исключения являлись абсолютные противопоказания к выполнению ЧПЭхоКГ, фибрилляция предсердий, частая экстрасистолия, стеноз аортального клапана, аортальная регургитация >2 степени, кардиомиопатии, фракция выброса ЛЖ <50% и отказ больного от исследования.

Мультиплановую 2D ЧПЭхоКГ выполняли натощак на ультразвуковой диагностической системе экспертного класса Epiq 7G (Philips) с помощью матричного чреспищеводного датчика X8-2t. Интубацию пищевода осуществляли в положении пациента лежа на левом боку после местной анестезии слизистой ротоглотки (лидокаин 10%, спрей). Визуализировали восходящий отдел, доступные для локации участки дуги и весь нисходящий отдел грудной аорты (ГА) в продольном и поперечном сечениях по стандартному протоколу, применяя технологию сканирования xPlane [12]. Оценивали анатомическое строение аортального клапана и степень (1-4) аортальной регургитации. В импульсно-волновом допплеровском режиме регистрировали кровоток в выносящем тракте ЛЖ. Ход исследования записывали в виде серии видеоклипов на жесткий диск прибора с последующей off-line обработкой на рабочей станции QLab, версия 15.5 (Philips). Во время исследования синхронно регистрировали электрокардиограмму во II модифицированном отведении и измеряли систолическое артериальное давление (АД) (САД, мм рт.ст.) и диастолическое АД (ДАД, мм рт.ст.) на правом плече осциллометрическим методом автоматическим сфигмоманометром M2 Basic (Omron). Пульсовое АД (ПАД, мм рт.ст.) рассчитывали как ПАД = САД — ДАД.

Для выполнения 2D speckle-tracking исследования получали четкие серошкальные поперечные срезы ВА на уровне синусов Вальсальвы, синотубулярного соединения, бифуркации легочной артерии, а также поперечный срез нисходящего отдела ГА в стандартной точке на глубине 25-30 см от резцов. Все ультразвуковые срезы ГА получены на оптимальной частоте кадров (55-60 Гц), имели четкие контуры комплекса интима-медия и адвентиции и были записаны вне зоны атеросклеротических бляшек.

Измеряли диаметр (мм) ВА на уровне фиброзного кольца аортального клапана, синусов Вальсальвы, синотубулярного соединения, бифуркации легочной артерии и нисходящей аорты в проксимальном сегменте, который индексировали к площади поверхности тела. Рассчитывали глобальный пиковый систолический циркумференциальный стрейн Лагранжа (Global circumference strain, GCS, %) в ВА на уровне фиброзного кольца аортального клапана, синотубулярного соединения, бифуркации легочной артерии и в проксимальном сегменте нисходящей аорты, применяя апробированную модель для ЛЖ по короткой оси (рис. 1). При этом выполнялась максимально точная трассировка внутреннего контура зоны интереса по поверхности комплекса интима-медия, а внешнего контура — по наружной границе адвентиции. Согласно данной модели, поперечный срез аорты делился на 6 условных сегментов, в каждом из которых программный модуль рассчитывал локальный стрейн с последующей суммацией и предоставлением информации о глобальном стрейне по всей окружности. Допплерографически рассчитанное время закрытия аортального клапана по спектру кровотока в выносящем тракте ЛЖ выставляли в программе вручную. Программное обеспечение автоматически рассчитывало время достижения пикового систолического циркумференциального стрейна (Time to peak, TTP, мс) и изменение площади поперечного сечения аорты (Fraction area change, FAC, %) в течение сердечного цикла. Затем рассчитывали GCS, нормализованный к ПАД (GCS/ПАД∙100), и индекс жесткости β₂ аортальной стенки, предложенный Oishi Y, et al. [13], по формуле: ln(САД/ДАД)/GCS∙100.

Статистическую обработку полученных данных выполняли с помощью пакета прикладных программ STATISTICA, версия 10.0 (StatSoft Inc.). Вид распределения выборки оценивали с помощью критерия Шапиро-Уилка. Учитывая отсутствие нормального распределения выборки, данные представляли как медиана и квартили — Me [Q1; Q3]. Для оценки межгрупповых различий применяли критерий Краскела-Уоллиса. Апостериорные попарные групповые сравнения проводили с помощью критерия Данна с поправкой Холма. Взаимосвязь между диаметром ВА в зоне максимальной дилатации с показателями глобального циркумференциального стрейна и жесткости аортальной стенки оценивали с помощью корреляционного анализа, который проводился путем расчета коэффициентов корреляции Спирмена. Различия считали статистически значимыми при p<0,05.

Результаты

У здоровых добровольцев (группа 1) не выявлено отклонений от нормальных значений размеров ГА на всем протяжении и наблюдался однонаправленный равномерный циркумференциальный стрейн аортальной стенки во всех сегментах, составляя 9,7% (8,4; 11,7) и 18,4 (14,9; 20,6) при нормализации показателя к уровню ПАД (табл. 2). Также у здоровых лиц наблюдалось равномерное изменение площади поперечного сечения всех сегментов ГА на протяжении сердечного цикла и более низкий показатель жесткости аортальной стенки при сравнении с больными с пограничным расширением (группа 2) и аневризмой ВА (группа 3), соответственно.

Из 32 обследованных больных с дилатацией и аневризмой ВА у 8 (25%) основным диагнозом была дисплазия соединительной ткани, у 18 (56%) — ишемическая болезнь сердца, у 6 (19%) — гипертоническая болезнь. Установлено, что у больных в группах 2 и 3 показатели деформации (GCS, GCS/ПАД) аортальной стенки и изменения площади поперечного сечения (FAC) в зоне максимальной дилатации ВА были статистически значимо ниже, чем у здоровых добровольцев (табл. 2). Аналогичная тенденция наблюдалась при межгрупповом сравнении показателей деформации аортальной стенки и изменения площади поперечного сечения в нисходящем отделе ГА и их средних значений по всем сегментам ГА. При внутригрупповом анализе у 3 (21%) больных группы 2 и у 7 (41%) больных группы 3 выявлен отрицательный GCS аортальной стенки в зоне максимальной дилатации ВА, а у 2 (6%) больных отрицательный GCS аортальной стенки наблюдался и в нисходящем отделе ГА. Следует отметить, что больные в группах 2 и 3 демонстрировали скачкообразное понижение деформационных характеристик стенки аорты по направлению от фиброзного кольца аортального клапана с максимумом в зоне наибольшего расширения, включая и умеренно дилатированный нисходящий отдел ГА. Статистически значимого различия между показателями деформации и жесткости аортальной стенки во всех сегментах ГА в группах 2 и 3 не выявлено. При этом диаметр в зоне максимальной дилатации ВА у больных группы 3 был статистически значимо выше, чем в группе 2. Проведенный корреляционный анализ выявил статистически значимую обратную взаимосвязь между диаметром ВА в зоне максимальной дилатации и показателями деформации аортальной стенки, составившую для GCS: r= -0,61; p<0,001 и GCS/ПАД: r=-0,62; p<0,001, соответственно, и прямую взаимосвязь с индексом жесткости β₂ аортальной стенки (r=0,56; p<0,05).

Обсуждение

Современные клинические руководства и рекомендации указывают на наличие "критического" диаметра аорты >5,5 см, при котором риск расслоения или разрыва аорты в результате выраженного тканевого ремоделирования и полной утраты механической прочности аортальной стенки резко возрастает [1][2]. Безусловно, расширение ВА является основным маркером аневризмы, в то же время он не отражает функции ткани аортальной стенки, в частности, напряжения, жесткости и, в конечном итоге, способности к деформации. По мнению многих исследователей поиск новых дополнительных критериев стратификации риска аорто-ассоциированных осложнений и принятия решения о хирургическом лечении, отражающих помимо диаметра аневризмы нарушение функции аортальной стенки, является актуальной задачей современных методов медицинской визуализации [4][5][7][8].

Потому представляет интерес неинвазивная оценка биомеханических свойств аортальной стенки с помощью 2D speckle-tracking мультиплановой ЧПЭхоКГ, позволяющей в клинических условиях, не подвергая больного лучевой нагрузке, количественно рассчитать деформацию аортальной стенки, используя серошкальные ультразвуковые срезы различных сегментов ГА по короткой оси [8][9]. В основе методики заложена экстраполяция известной и апробированной в клинике ультразвуковой модели оценки циркумференциального и радиального стрейна миокарда ЛЖ по короткой оси, позволяющей в данном случае рассчитать интегральную деформацию аортальной стенки по всей окружности за счет ее усреднения в 6 различных сегментах [10]. Преимуществом данной ультразвуковой методики также является и то, что высокочастотный матричный датчик устанавливается в пищеводе в стандартных точках на глубине 20-30 см от резцов в анатомической близости от исследуемой структуры — стенки аорты, благодаря чему удается получить серошкальные срезы восходящей и нисходящей аорты по короткой оси высокого качества. Метод хорошо воспроизводим и успешно валидирован в экспериментальных условиях на фантоме аорты [11].

В данном исследовании был проведен сравнительный анализ биомеханики восходящего отдела аорты в норме, при пограничном расширении и аневризме с помощью посегментной ультразвуковой оценки деформационных характеристик аортальной стенки, применяя технологию 2D speckle-tracking ЧПЭхоКГ. У здоровых добровольцев при нормальных размерах ГА на протяжении сердечного цикла мы наблюдали равномерную однонаправленную деформацию и равномерную жесткость аортальной стенки во всех исследуемых сегментах ГА по направлению от фиброзного кольца аортального клапана к нисходящему отделу, что обусловлено нормальным функционированием эластичной аортальной компрессионной камеры, выполняющей роль демпфера пульсовой волны. У больных с пограничным расширением и аневризмой ВА на фоне увеличения диаметра аорты мы наблюдали прогрессирующее скачкообразное снижение показателей деформации вплоть до отрицательных значений и увеличение жесткости аортальной стенки по направлению от фиброзного кольца аортального клапана к нисходящему отделу с максимумом в зоне наибольшей дилатации. Следует подчеркнуть, что статистически значимого различия показателей деформации и жесткости аортальной стенки между группами больных с пограничным расширением и аневризмой ВА нами не было выявлено, несмотря на разницу в диаметрах в зоне максимальной дилатации. Это свидетельствует о том, что нарушение деформационных характеристик и увеличение жесткости аортальной стенки в результате ремоделирования происходит пропорционально значимо как при пограничном расширении, так и при аневризме и, по нашему мнению, может рассматриваться как дополнительный критерий оценки механической прочности аортальной ткани помимо диаметра. В этой ситуации с позиций механики кровообращения возникает порочный круг. Согласно теореме Бернулли [14] снижение способности к деформации и увеличение жесткости аортальной стенки приводит к быстрому пассивному расширению ВА, замедлению кровотока и увеличению бокового давления. Одновременно с этим согласно закону Лапласа [14] с увеличением диаметра аневризмы возрастает напряжение на стенку аорты со стороны кровотока, которая становится еще более жесткой, что ограничивает возможности ее растяжимости и деформации и способствует дальнейшей дилатации аорты. Подтверждением вышеописанных механизмов является выявленная нами обратная корреляционная взаимосвязь диаметра ВА с показателями деформации и прямая взаимосвязь с индексом жесткости аортальной стенки. Кроме того, исследования Alreshidan M, et al. [8] и Emmott A, et al. [5] подтвердили высокую корреляцию между значениями модулей жесткости, рассчитанными в эксперименте при анализе интраоперационно полученных фрагментов ткани стенки аневризмы ВА с индексом жесткости β₂, рассчитанным в клинических условиях на основании показателей деформации с помощью 2D speckle-tracking ЧПЭхоКГ. Это подтверждает высокую диагностическую ценность показателей деформации и индекса жесткости аортальной стенки, рассчитанного на основе показателей системного АД и циркумференциального стрейна в качестве вспомогательных критериев для оценки механической прочности стенки ВА при пограничном расширении и аневризме.

В выполненном нами исследовании следует обратить особое внимание на показатели деформации и жесткости стенки нисходящего отдела ГА, которые, по всей вероятности, могут рассматриваться как интегральные характеристики функциональной несостоятельности аортальной ткани вышерасположенных сегментов ГА и, возможно, в перспективе быть маркером восстановления работы аортальной компрессионной камеры после протезирования. Однако это требует дополнительных исследований.

Суммируя вышеизложенное, следует отметить, что, по нашему мнению, посегментный ультразвуковой анализ деформационных характеристик и жесткости стенки ГА по направлению от фиброзного кольца аортального клапана к нисходящему отделу во время мультиплановой 2D speckle-tracking ЧПЭхоКГ может иметь самостоятельное диагностическое значение при оценке функциональной несостоятельности аортальной ткани наряду с показателями диаметра. При этом показатели циркумференциального стрейна и жесткости аортальной стенки в зоне максимальной дилатации могут рассматриваться в качестве вспомогательного критерия при выборе индивидуальной хирургической стратегии у больных с пограничным расширением и аневризмой ВА.

Ограничения исследования. Выполненное исследование имело определенные ограничения. Так, мы вынуждены были исключить из исследования лиц, у которых нечетко визуализировался поперечный срез ВА на уровне бифуркации легочной артерии из-за "слепой" зоны — столб воздуха в трахее и левом магистральном бронхе. Кроме того, ограничением исследования являлась интерпретация изменений времени достижения пикового систолического циркумференциального стрейна и индекса жесткости аортальной стенки в группах 2 и 3 в связи с разнонаправленной деформацией отдельных сегментов аортальной стенки. Нельзя исключить влияние на показатели деформации аортальной ткани структур, рядом расположенных со стенками ГА, а именно трахеи, бифуркации легочной артерии и левого предсердия.

Заключение

1. В норме эластико-тонические свойства аортальной стенки обеспечивают однонаправленный равномерный циркумференциальный стрейн и равномерную жесткость аортальной стенки во всех сегментах восходящего отдела ГА.
2. При пограничном расширении и аневризме ВА происходит пропорционально значимое скачкообразное понижение показателей деформации вплоть до отрицательных значений и увеличение жесткости аортальной стенки по направлению от фиброзного кольца аортального клапана к нисходящему отделу ГА с максимумом в зоне наибольшей дилатации.
3. Одним из механизмов дилатации ВА является ограничение способности к деформации и увеличение жесткости аортальной стенки.
4. Применение технологии 2D speckle-tracking при мультиплановой ЧПЭхоКГ позволяет неинвазивно проводить комплексный посегментный анализ нарушений биомеханики аортальной стенки при дилатации различного генеза, результаты которого наряду с диаметром аорты могут иметь самостоятельное диагностическое значение при выборе индивидуальной хирургической стратегии у больных с пограничным расширением или аневризмой ВА.

Отношения и деятельность. Исследование выполнено в НИИ кардиологии Томского НИМЦ РАН за счет гранта Российского научного фонда № 21-15-00160 "Исследование механизмов изменения эластико-тонических свойств грудного отдела аорты при дилатации различного генеза с помощью экспериментальных, клеточно-молекулярных и лучевых методов исследования", https://rscf.ru/project/21-15-00160/.