Μελέτη των μηχανικών ιδιοτήτων του τοιχώματος της αρτηριοφλεβικής αναστόμωσης

Abstract

In the present study, arteriovenous fistulae were created by implantation of e-PTFE grafts between the right carotid artery and the jugular vein in twenty four pigs. The animals were allocated into three groups, sacrificed at fifteen days, at one or three months postoperatively. In vivo recordings of blood flow and pressure were obtained before and immediately after fistula creation and before sacrifice. The biomechanical adaptation of shunted vessels was assessed via inflation/extension testing and the respective histomorphometric adaptation through microscopy. Post-shunting, flow at the proximal arterial segment was doubled and retained so until euthanasia. At the respective part of the venous fistula, pressure and volumetric flow rate exhibited a three-fold elevation. Before euthanasia, it was observed that in some animal the fistulas were occluded. At the remaining animals were observed only minimal alterations. At the arterial part, flow elevation induced lumen diameter enlargement and wall mass growth, accommodated by elastin fragmentation and connective tissue accumulation, while the wall thickness remained at normal values. These observations are associated with the decline of residual stresses. The morphological modifications lead to normalization of stress field within fifteen days. The elastic properties were also modified, with the diameter-pressure curves shifted to higher diameters. Compliance and distensibility were augmented at mean pressure, while incremental elastic modulus was reduced. It is inferred that the biomechanical adaptation is relevant with the observed alterations in connective tissue composition. The above findings suggest that the biomechanical adaptation in moderate flow-overload leads to normalization of intimal shear without, however, restoring compliance to control levels. At venous part the chief morphological finding was wall thickening, already at two weeks, serving to restore intramural stresses to homeostatic levels, and a less important internal diameter enlargement that gradually normalized intimal shear after four weeks. The residual strains and opening angle increased after fistula creation. Association with histomorphological findings on layers growth disclosed a certain correlation between increased intimal hyperplasia and opening angle increase. Elastin and cellular percentage wall content diminished opposite to collagen fiber accumulation and cellular proliferation, the largest part of differences occurring within the first four weeks after grafting. Inflation/extension testing showed vein stiffening associated with these structural changes, as their distension ratio declined over the entire pressure range, with a concomitant rise in the elastic modulus of wall material that was exaggerated over time. It can be concluded that post-fistula the vein wall becomes progressively thicker and stiffer, leading to normalization of shear and circumferential stresses, but lacking restoration of compliance to baseline levels.

Στην παρούσα εργασία δημιουργήθηκε αρτηριοφλεβική επικοινωνία μεταξύ της δεξιάς κοινής καρωτίδας και της έσω σφαγίτιδας σε εικοσιτέσσερις χοίρους. Τα ζώα χωρίσθηκαν σε τρεις ομάδες και ευθανατώθηκαν δεκαπέντε ημέρες, έναν ή τρεις μήνες μετά τη δημιουργία της επικοινωνίας. Πριν και μετά τη δημιουργία της και πριν την ευθανασία των ζώων καταγράφηκαν η αιματική πίεση και ροή. Ακολούθως, έγινε ιστολογική και μορφομετρική μελέτη και εμβιομηχανική μελέτη μέσω πειραμάτων διάτασης/επιμήκυνσης, στα αναστομωμένα και στα αντίστοιχα ετερόπλευρα αγγεία, τα οποία θεωρήθηκαν φυσιολογικά. Μετά τη δημιουργία της επικοινωνίας η αιματική ροή στο κεντρικό αρτηριακό στέλεχος διπλασιάστηκε ενώ στο αντίστοιχο φλεβικό η πίεση και η ροή τριπλασιάστηκαν. Πριν την ευθανασία η επικοινωνία σε ορισμένα ζώα είχε αποφραχθεί ενώ στα υπόλοιπα διαπιστώθηκαν μικρές μεταβολές των αιμοδυναμικών παραμέτρων. Στο αρτηριακό σκέλος η αύξηση της αιματικής ροής συνοδεύθηκε από διεύρυνση της διαμέτρου του αυλού και αύξηση της μάζας του τοιχώματος, από θρυμματισμό της ελαστίνης και συσσώρευση συνδετικού ιστού. Το πάχος του τοιχώματος διατηρήθηκε σε φυσιολογικές τιμές. Τα ευρήματα συνδέονται με την πτώση στις παραμένουσες τάσεις. Οι μορφολογικές αλλαγές οδήγησαν στην κανονικοποίηση του πεδίου των τάσεων εντός δεκαπέντε ημερών. Οι ελαστικές ιδιότητες τροποποιήθηκαν, με τις καμπύλες διαμέτρου-πίεσης να μετατοπίζονται προς υψηλότερες διαμέτρους. Η ενδοτικότητα και η διατασιμότητα στη μέση πίεση ήταν αυξημένες, ενώ το μέτρο ελαστικότητας ήταν μειωμένο. Η εμβιομηχανική προσαρμογή της καρωτίδας αρτηρίας είναι σε συμφωνία με τις δομικές αλλαγές του συνδετικού ιστού και οδηγεί στην κανονικοποίηση των διατμητικών τάσεων, χωρίς την αποκατάσταση της ενδοτικότητας σε φυσιολογικά επίπεδα. Στο φλεβικό σκέλος η κύρια μορφολογική απόκριση ήταν η αύξηση του πάχους του τοιχώματος, η οποία εντός δεκαπέντε ημερών επιφέρει την κανονικοποίηση των ενδοτοιχωματικών τάσεων. Παρατηρήθηκε επίσης μικρή διεύρυνση της εσωτερικής διαμέτρου η οποία επέφερε την κανονικοποίηση των διατμητικών τάσεων. Οι παραμένουσες παραμορφώσεις και το άνοιγμα, επέδειξαν σταδιακή αύξηση. Τα ιστομορφομετρικά ευρήματα, που αφορούν τις μεταβολές της επιφάνειας των χιτώνων δείχνουν μια σαφή σύνδεση μεταξύ της υπερπλασίας του έσω χιτώνα και της αύξησης του ανοίγματος. Το ποσοστό της ελαστίνης και των κυττάρων στο τοίχωμα ελαττώθηκε ενώ επίσης το ποσοστό των ινών του κολλαγόνου αυξήθηκε. Η εμβιομηχανική μελέτη έδειξε αύξηση της δυσκαμψίας των αναστομωμένων φλεβών, καθώς οι φλέβες επεδείκνυαν μικρότερο ποσοστό αύξησης της διαμέτρου και ταυτόχρονη αύξηση του μέτρου ελαστικότητας η οποία διευρυνόταν με την πάροδο του χρόνου. Συμπεραίνεται ότι το τοίχωμα των φλεβών γίνεται παχύτερο και πιο δύσκαμπτο, οδηγώντας στην κανονικοποίηση των ενδοτοιχωματικών και διατμητικών τάσεων.