Возможности современных методов прямых механических испытаний в оценке интраоперационных образцов аневризмы аорты, возникшей на фоне неконтролируемой артериальной гипертензии

Введение

Артериальная гипертензия на сегодняшний день является одним из самых распространенных сердечно-сосудистых заболеваний. По данным ряда эпидемиологических исследований, частота встречаемости повышенного артериального давления (АД) среди взрослого населения достигает 40%, а в старших возрастных категориях этот показатель превышает 80% [1–3]. Показано, что лишь 48% пациентов знают о наличии у них этой патологии. Около трети обследованных принимают антигипертензивные препараты, однако только 11% из них лечатся действительно эффективно. В ситуациях, когда целевое АД не достигнуто, используется термин «неконтролируемая артериальная гипертензия» [4].

Наличие повышенного АД существенно увеличивает риск развития сосудистых катастроф и повышает смертность от сердечно-сосудистых заболеваний в 8 раз [5]. Одним из серьезных осложнений неконтролируемой артериальной гипертензии является аневризма аорты, которая нередко длительно протекает бессимптомно и не выявляется при стандартном терапевтическом осмотре [6–8]. Первыми признаками существующей патологии могут стать симптомы внезапно возникающего острого аортального синдрома с расслоением и разрывом аорты, летальность при котором достигает 90%. Жизненный прогноз таких пациентов напрямую зависит от своевременной диагностики и профилактики этого неотложного состояния [9–12].

На сегодняшний день в качестве основного критерия для назначения планового оперативного лечения аневризмы аорты используется размер аорты в сочетании с оценкой темпа роста ее диаметра [13]. В то же время накоплено много теоретических научных данных, подтверждающих патогенетическую значимость жесткости сосудистой стенки как важного независимого предиктора сосудистых осложнений [14–17]. В связи с этим в клинической практике в последние годы широкое применение получили неинвазивные методы косвенной оценки ригидности аортальной стенки — ультразвуковое исследование, магнитно-резонансная томография и метод определения скорости пульсовой волны [18–20].

Более точные показатели физико-механических свойств биологических тканей предоставляют методы прямых механических испытаний, такие как прямое инструментальное индентирование и метод одноосного растяжения, которые в основном используются при изучении сосудов животных моделей, экспериментальных тканей человека, выращенных в искусственных средах, и трупного материала [21, 22]. Особую значимость данные методы могут иметь в клинической практике. Так, при неконтролируемой артериальной гипертензии первостепенное значение отводится измерению физико-механических параметров начальных отделов аорты, в которых в силу наибольшего гемодинамического удара степень атеросклеротических изменений максимальна [23].

В связи с этим цель настоящего исследования — изучить возможности применения в клинической практике методов прямых механических испытаний для оценки прочностных и упруго-деформативных характеристик интраоперационных образцов аневризмы дуги аорты, возникшей на фоне неконтролируемой артериальной гипертензии.

Материалы и методы

Экспериментальным материалом для исследования послужили резецированные части аневризмы аорты, полученные в результате открытого хирургического вмешательства у пациентки с неконтролируемой артериальной гипертензией.

Пациентка С., 74 года, поступила в клинику госпитальной хирургии Института клинической медицины им. Н.В. Склифосовского Сеченовского университета с жалобами на слабость, головокружение, учащение эпизодов повышения АД до 180/110 мм рт. ст. В анамнезе: более 30 лет страдала гипертонической болезнью с максимальным повышением АД до 200/120 мм рт. ст., периодически принимала разные гипертензивные препараты без эффекта. Три года назад по данным эхокардиографии впервые отметили расширение аорты, оперативное вмешательство не предлагали. В июле 2023 г. при эхокардиографии выявлено увеличение диаметра расширенной части аорты до 68 мм. Рекомендована консультация кардиохирурга. В сентябре 2023 г. в клинике Сеченовского университета при эхокардиографии обнаружена расслаивающая аневризма дистального отдела восходящей аорты с наличием пристеночных тромбомасс. Диаметр аорты на уровне синусов Вальсальвы — 33 мм, на уровне сино-тубулярного гребня — 30 мм, диаметр дистального отдела восходящей части и дуги аорты достигал 71 мм на расстоянии 5,9 см от фиброзного кольца аортального клапана (ФКАК). Отмечались атеросклеротическое поражение корня и стенок аорты, фиброзных колец, створок аортального и митрального клапанов, аортальная недостаточность I степени, митральная недостаточность I степени, трикуспидальная недостаточность I степени, диастолическая дисфункция левого желудочка 1-го типа. Систолическая функция гипертрофированного левого желудочка сохранена (фракция выброса — 61%), зон гипокинезии нет, данные за перикардиальный и плевральный выпот отсутствовали.

При поступлении: состояние тяжелое, гемодинамически стабильна. Ожирение II степени. Область сердца не изменена, ЧСС — 84 в минуту, АД — 150/90 мм рт. ст. Пульс — удовлетворительного наполнения, аритмичный. Тоны сердца приглушены, аритмичные, шумов нет. Со стороны других органов и систем — без особенностей.

При МСКТ-аортографии отмечались аневризма дистального отдела восходящей части и дуги аорты диаметром до 74 мм, расслоение аорты II типа по DeBakey (рис. 1). При доплерографии определялись признаки диффузных атеросклеротических изменений брахиоцефальных артерий и аорты, деформация хода ветвей дуги аорты. При рентгеноскопии грудной клетки очаговых и инфильтративных теней в легких не обнаружено. Легочный рисунок не усилен. Корни легких структурны, не расширены. Диафрагма расположена обычно. Синусы свободны. Аорта расширена в грудном отделе, удлинена, уплотнена с участками кальциноза. Сердце несколько увеличено в объеме за счет левого желудочка. Тень средостения не смещена. На электрокардиограмме: ритм синусовый, ЧСС — 96 в минуту. Интервал PQ — 0,20", QRS — 0,09", QRST — 0,34. Электрическая ось сердца отклонена влево. Отмечаются гипертрофия левого желудочка, нарушение процессов реполяризации левого желудочка. Суточное мониторирование АД проводилось в амбулаторных условиях, на фоне антигипертензивной терапии. Выявлена стабильная систоло-диастолическая артериальная гипертензия умеренного уровня с эпизодами повышения АД до высокого уровня при физических нагрузках, с нарушением циркадного профиля диастолического АД по типу non-dipper.

Рис. 1. МСКТ-аортография

В общем анализе крови: HGB — 133 г/л, RBC — 4,71×10¹²/л, WBC — 8,8×10⁹/л, NEUT — 73,3%, LYMP — 17,5%, Mono — 6,7%, PLT — 275×10⁹/л. В биохимическом анализе крови: билирубин общий — 9,2 мкмоль/л, прямой — 1,8 мкмоль/л, белок общий — 75 г/л, мочевина — 8,9 ммоль/л, креатинин — 92 мкмоль/л, СКФ — 49,45 мл/мин, глюкоза — 5,34 ммоль/л, холестерин (ХС) — 6,72 ммоль/л, триглицериды — 5,61 ммоль/л, ХС ЛПВП — 0,93 ммоль/л, ХС ЛПНП — 3,33 ммоль/л, ХС не-ЛПВП — 5,79 ммоль/л, АСТ — 15 Ед./л, АЛТ — 13 Ед./л, КФК — 36 Ед./л, С-реактивный белок — 8,1 мг/л, калий — 4,6 ммоль/л, натрий — 135 ммоль/л, хлор — 101 ммоль/л. Коагулограмма: АЧТВ — 25,4 с, АЧТВ-ПО — 0,82, ПТВ — 10,6 с, протромбин (активность по Квику) — 104,0%, МНО — 0,97, фибриноген — 5,39 г/л, антитромбин III — 131,0%, агрегация тромбоцитов — 76,4%. Общий анализ мочи — без патологии.

На основании данных проведенного обследования был установлен следующий диагноз: «Расслоение аорты II типа по DeBakey, аневризма дистального отдела восходящей части и дуги аорты. Атеросклероз с преимущественным поражением аорты и брахиоцефальных артерий. Гипертоническая болезнь III стадии, III степени, риск 4. Неконтролируемая артериальная гипертензия. Гиперлипидемия. Гипертрофия миокарда левого желудочка. Хроническая болезнь почек С3А стадии. Гиперкоагуляционный синдром. Дисциркуляторная энцефалопатия II степени. Конституционально-экзогенное ожирение II степени».

При предоперационной чреспищеводной эхокардиографии: диаметр ФКАК — 31 мм. Диаметр восходящей части аорты на уровне синусов Вальсальвы — 30 мм, на уровне сино-тубулярного гребня — 27 мм, на 3,5 см от ФКАК — 40 мм, на уровне дистального отдела и дуги — 74 мм. Наблюдаются расслоение аорты на 4,5 см от ФКАК с тромбозом ложного канала, атеросклеротические изменения корня и стенок аорты, гипертрофия миокарда левого желудочка. Локальная и глобальная систолическая функция левого желудочка не нарушена. Гемодинамические параметры и функция аортального клапана — в норме. Имеет место трикуспидальная недостаточность I степени. Нисходящая аорта — без отрицательной динамики. По экстренным жизненным показаниям пациентке выполнено супракоронарное протезирование дистального отдела восходящей части и полудуги аорты синтетическим протезом AlboGraft 30 мм по методике Hemiarch в условиях антеградной моногемисферальной перфузии головного мозга, умеренной гипотермии (27°С), искусственного крово­обращения и кровяной кардиоплегии по del Nido [24].

Резецированные части аневризмы аорты были доставлены в лабораторию в течение 2 ч после операции протезирования. При проведении натурного эксперимента применяли методы инструментального индентирования и одноосного растяжения. Макроиндентирование проводили на универсальной микромеханической системе Mach-1 v500csst (Biomomentum Inc., Канада). Использовали металлический сферический индентор с радиусом 3,25 мм. Образцы помещали на металлический держатель выпуклой или вогнутой стороной вверх, а также вверх срезом для измерений внутреннего слоя. Во время всех измерений влажное состояние материала поддерживали путем добавления фосфатно-солевого буфера. С помощью функции прибора find contact проводили индентирование образца до заданной нагрузки (0,1 Н), обеспечивающей глубину продавливания порядка 0,5–1,0 мм (рис. 2).

Рис. 2. Инструментальное индентирование образцов аорты

Для расчета модуля Юнга полученные зависимости нагрузки (F) от глубины продавливания () аппроксимировали моделью Герца:

где Е — модуль Юнга, — коэффициент Пуассона образца, который для биологических образцов принимается равным 0,5 [25]. На каждой стороне образца проводили ряд измерений (9–12) в режиме картирования; анализировали усредненные данные.

Для проведения одноосного растяжения были высечены образцы размерами 28,0×9,0 мм в направлениях вдоль (n=9) и поперек (n=9) тока крови при помощи стандартной вырубной матрицы. Образцы аневризмы и нерасширенного участка аорты исследовали посредством одноосного растяжения до разрыва на универсальной микромеханической системе Mach-1 v500csst (рис. 3). Прочность материала оценивали по показателю напряжения разрыва (σ, MПa):

σ=F/hw,

где F — это сила во время разрыва, Н; h — усредненная толщина образцов, мм; w — ширина образцов, мм.

Деформативную способность (ε, %) определяли по величине максимального удлинения до момента разрыва:

ε=ΔL/L,

где ΔL — это максимальное удлинение образцов во время эксперимента, мм; L — исходная длина образцов, мм.

О жесткости материала судили по значениям модуля Юнга (E, MПa):

E=σ/ε,

где Е — модуль Юнга, МПа; σ — показатель напряжения разрыва, MПa; ε — максимальное удлинение образца до момента разрыва, мм [22].

Рис. 3. Одноосное растяжение образцов аорты

Исследование было одобрено локальным этическим комитетом Сеченовского университета при соблюдении этических норм Хельсинкской декларации (2013).

Статистическая обработка данных. Результаты исследования обрабатывали методом вариационной статистики с применением программного обеспечения Microsoft Excel 2010. Нормальность распределения данных проверяли с помощью критерия Шапиро–Уилка. Учитывая, что распределение полученных числовых значений было нормальным, вычисляли средние значения показателей и их стандартные отклонения. О статистической значимости различий количественных переменных судили по t-критерию Стьюдента. Результаты рассматривали как статистически значимые при p<0,05.

Результаты

Стенка аорты как сосуда эластичного типа имеет трехслойную структуру, состоящую из внутренней оболочки (интимы), медии и адвентиции [26]. Показано, что внутренний слой резецированной части аорты (вогнутая сторона) имел статистически значимо большую жесткость (модуль Юнга) по сравнению с наружной (выпуклой) стороной и средним слоем (рис. 4).

Рис. 4. Модуль Юнга стенки аневризмы аорты * p<0,05

В случае изучения медии в области максимальной дилатации аорты наблюдались большой разброс значений этого показателя и расслоение исследуемого материала.

По данным одноосного растяжения стенка аневризматического мешка аорты по сравнению с нерасширенным участком отличалась существенно меньшей прочностью как в продольном (в 4,25 раза), так и в поперечном (в 3,75 раза) направлениях, на что указывали статистически значимо меньшие показатели максимального напряжения разрыва (σ, MПa) (рис. 5).

Рис. 5. Максимальное напряжение разрыва образцов аорты * p<0,05

Ткани аневризмы демонстрируют значимо более низкую эластичность и деформативную способность по показателю максимального удлинения образцов до разрыва (ε, %) (рис. 6).

Рис. 6. Максимальное удлинение образцов аорты до разрыва * p<0,05

Модуль Юнга в зоне дилатации имел меньшие значения по сравнению с нерасширенным участком аорты (E, MПa) (рис. 7).

Рис. 7. Модуль Юнга (жесткость) образцов аорты * p<0,05

Обсуждение

Аневризма аорты, осложняющаяся молниеносным расслоением и разрывом сосудистой стенки, представляет собой серьезную медицинскую и социально-экономическую проблему для населения большинства стран мира. При неконтролируемой артериальной гипертензии изменение прочностных и упруго-деформативных свойств отмечается в первую очередь в дуге аорты, которая подвергается максимальным перепадам АД и вносит наибольший вклад в преобразование пульсирующего кровотока благодаря равномерному растяжению и сжатию до исходных размеров [5, 23, 26–28]. В условиях увеличенного гемодинамического удара происходит повышение проницаемости интимы для липопротеинов низкой плотности и отложение их в стенке аорты, что сопровождается существенным изменением прочностных и упруго-деформативных характеристик этого сосуда [5–8]. Не случайно методами косвенной оценки ригидности кровеносных сосудов показано, что жесткость сосудистой стенки играет роль важного независимого предиктора сосудистых осложнений [14–17].

На примере данного клинического случая продемонстрированы возможности применения в клинической практике современных методов прямых механических испытаний в оценке физико-механических свойств интраоперационно взятого материала аорты. Так, показано, что метод прямого инструментального индентирования позволяет оценить и сравнить между собой жесткость всех трех слоев стенки аорты (при этом впервые проводилась оценка среднего слоя), что в дальнейшем при достаточной выборке позволит уточнить патофизиологические механизмы формирования аневризм. В данном случае установлено: наибольшему атеросклеротическому повреждению подвержена внутренняя оболочка этого сосуда, воспаление в которой сопровождается высвобождением множества биологически активных веществ и дезорганизацией соединительнотканных структур средней оболочки аорты, что является основным фактором риска развития аневризмы аорты и ее расслоения. Не случайно при изучении медии в области дилатации аорты наблюдался большой разброс значений модуля Юнга и расслоение исследуемого материала.

Ускоренное формирование диффузно-очагового утолщения интимы этого отдела аорты на фоне неконтролируемой артериальной гипертензии служит морфологической основой взаимосвязанных деструктивных и компенсаторно-репаративных процессов, приводящих к утрате эластичности аортальной стенки, формированию аневризмы и истончению ее слоев [5–8, 15, 17, 27]. Так, показано, что метод одноосного растяжения позволяет получить точные параметры прочности сосудистой стенки, а также оценить жесткость, эластичность и деформативную способность интраоперационно взятой ткани аорты. В данном случае установлено, что стенка аневризмы в сравнении с нерасширенным участком аорты отличалась существенно меньшей прочностью, более низкой эластичностью и деформативной способностью. Получение истинных показателей жесткости аортальной стенки методом одноосного растяжения при достаточной выборке и сопоставление их с результатами предоперационных исследований этих сосудов методами косвенной оценки позволит оценить уровень достоверности последних, создать математическую модель соответствия данных прямых и косвенных измерений для прогнозирования риска развития расслоения и разрыва аневризмы и для своевременного проведения плановой операции.

Кроме того, выявление преимущественно повреждаемого слоя в стенке аорты может определить дифференцированный подход к разработке оптимальной конструктивно-восстановительной тактики протезирования аневризмы, которая будет способствовать удержанию сосудистых швов и целостности анастомоза в послеоперационном периоде. Только четкое взаимодействие кардиолога, врача функциональной диагностики и сердечно-сосудистого хирурга позволит не допустить ошибку в оценке прогноза заболевания и выбрать единственно правильную тактику ведения пациента.

Заключение

Продемонстрированы перспективы и возможности применения в клинической практике таких современных методов прямых механических испытаний, как инструментальное индентирование и метод одноосного растяжения. Использование этих биомедицинских технологий в оперативных клинических исследованиях позволит получить более точные показатели прочностных и упруго-деформативных характеристик сосудов, уточнить патофизиологические механизмы развития сердечно-сосудистых осложнений и обосновать необходимость регулярного контроля жесткости сосудистой стенки в клинической практике, в частности у пациентов с неконтролируемой артериальной гипертензией. Это будет способствовать разработке оптимальной тактики ведения данных пациентов, профилактике возникновения у них жизнеугрожающих состояний и снижению смертности.

Финансирование исследования. Измерение физико-механических свойств аортальной стенки методами прямых механических испытаний выполнено при финансовой поддержке гранта Российского научного фонда №23-15-00481 (https://rscf.ru/project/
23-15-00481/).

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.