Modeling of restenosis of main arteries after the intravascular stenting interventions

Olga A. Germanova; Германова О. А.; Vladimir A. Germanov; Германов В. А.; Yurii V. Shchukin; Щукин Ю. В.; Andrei V. Germanov; Германов А. В.; Maksim V. Piskunov; Пискунов М. В.; Andrei E. Burmistrov; Бурмистров А. Е.; Rinat Yu. Yusupov; Юсупов Р. Ю.; Giuseppe Galati; Галати Дж.

doi:10.35693/2500-1388-2021-6-1-45-49

Modeling of restenosis of main arteries after the intravascular stenting interventions

Authors: Germanova O.A.¹, Germanov V.A.¹, Shchukin Y.V.¹, Germanov A.V.¹, Piskunov M.V.¹, Burmistrov A.E.², Yusupov R.Y.², Galati G.³
Affiliations:
1. Samara State Medical University
2. Samara National Research University
3. San Raffaele Hospital
Issue: Vol 6, No 1 (2021)
Pages: 45-49
Section: Cardiology
URL: https://innoscience.ru/2500-1388/article/view/64231
DOI: https://doi.org/10.35693/2500-1388-2021-6-1-45-49
ID: 64231

Cite item

Full Text

Abstract
Full Text
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

Objectives – to study the mechanism of restenosis after the intra-arterial stenting using the original device for modeling of intra-arterial blood flow.

Material and methods. To perform the experiment, we have created the original device simulating the intra-arterial blood flow. A glass tube of rotameter was the imitation of the arterial vessel. The closed system was filled with the liquid imitating blood, specifically the solution of glycerin the same viscosity as the human blood plasma. Using our original model of intra-artetial blood flow, we were able to study the intra-arterial hemodynamics under different conditions of cardiovascular system functioning, including arrhythmias.

Results. In extrasystolic arrhythmia, during the spread of the first post-extrasystolic wave, we observed the intensive impact of pressure wave (the indicator was the silk thread) on the vessel walls with forming of reflected and standing waves. Putting the piezo crystal probe of pressure inside the tube, we verified our observations. The increase of pressure during the spread of the first post-extrasystolic wave in multiple measurements had a mean value of 160% in comparison with the pressure during the regular heart rhythm.

Conclusion. The hydraulic shock appears during the spread of the first post-extrasystolic wave in the arterial vessel. Its effect on hemodynamics grows in case of the frequent extrasystoles and allorhythmia. The mechanical impact of hydraulic shock in extrasystoles can be the starting point of the restenosis onset and progressing in the intra-arterial stent.

Keywords

modeling, hydraulic shock, restenosis

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

В практике врача-кардиолога и эндоваскулярного хирурга нередки клинические случаи, когда после успешного хирургического вмешательства и выполнения чрескожной коронарной ангиопластики и стентирования коронарных артерий данная процедура приносит лишь временное улучшение состояния пациента и спустя некоторое время ангинальные боли возвращаются. При этом больной соблюдал все рекомендации и принимал назначенные препараты после вмешательства. Пациенту выполняются нагрузочные тесты, и вновь выявляются признаки недостаточности коронарного кровотока. При коронарографии у него снова выявляются признаки стенозов коронарных артерий, в том числе рестенозов, на уже установленных внутрисосудистых стентах.

Снижение частоты рестенозов после стентирования коронарных артерий – актуальная проблема, несмотря на разработку и усовершенствование как методик имплантации стента, так и конструкции самого стента, который модифицируют по строению балок, делают его покрытым лекарственными препаратами [1]. Однако до сих пор, несмотря на применение новейших совершенных технологий, частота рестенозов, по данным различных авторов, составляет от 15% до 40% [2, 3].

Механизмы рестенозов описаны в литературе. Основным механизмом развития рестеноза считают разрастание неоинтимы в месте установки стента [4]. К факторам риска агрессивного рестеноза относят женский пол, наличие сахарного диабета, малого исходного минимального диаметра сосуда, наличие коротких поражений [5]. Описаны механизмы пролиферации, выраженной экскреторной активности гладкомышечных клеток, высвобождение медиаторов воспаления в ответ на наличие инородного тела в сосуде [6]. Были попытки создания биостентов, однако их установка не улучшила прогнозы относительно рестенозов. В рекомендациях указывают на необходимость длительной двойной антиагрегантной терапии. Однако в отдаленных результатах частота развития рестенозов все равно не снижается.

Возможно ли наличие дополнительных факторов, ранее не учтенных, приводящих к развитию данной патологии? При выполнении нашего исследования мы обратили внимание на более частое обнаружение рестенозов у пациентов с нарушениями ритма (экстрасистолией). Для объективной оценки наших наблюдений мы прибегли к экспериментальной работе.

ЦЕЛЬ

Изучить особенности механизма возникновения рестенозов на ранее установленном внутрисосудистом стенте с использованием оригинального устройства для моделирования внутриартериального кровообращения.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Экспериментальная работа была проведена с помощью разработанного нами оригинального устройства для моделирования внутриартериального кровообращения.

Данное устройство представляет собой имитацию артериального сосуда, выполненную в виде стеклянной полой трубки ротаметра с входным диаметром 20 мм, выходным диаметром 16,5 мм и длиной 365 мм. Толщина стеклянной трубки составляет 2 мм. Данная трубка с помощью расположенных вдоль нее четырех стальных стержней прочно прикреплена с помощью удерживающих устройств (муфт) к горизонтальной поверхности. К свободным концам стеклянной трубки прикреплены 2 силиконовых трубки, которые выполняют функцию приведения жидкости к трубке и отведения жидкости от нее. Другими концами трубки соединены с насосом, работающим от аккумулятора напряжением 12 Вольт (рисунок 1).

Рисунок 1. Устройство для моделирования внутриартериального кровообращения (в собранном виде, готово к работе).

Figure 1. The device for modeling of intra-arterial blood flow (fully assembled, ready-to-work).

В замкнутую систему нагнетается жидкость, имитирующая человеческую кровь. В качестве такой жидкости мы брали водный раствор глицерина в разведении, соответствующем вязкости плазмы крови. Применение раствора глицерина оказалось очень удобным, поскольку помимо соответствия вязкости плазмы крови данная жидкость абсолютно прозрачна и позволяет наблюдать и контролировать процессы, происходящие внутри трубки.

С входного конца трубки расположен штуцер, через который можно вводить внутрь трубки красящее вещество (жидкую канцелярскую тушь), а также шелковую нить на держателе, внутрисосудистые датчики давления, если это было необходимо для проведения эксперимента.

Возможности работы насоса таковы, что его режимы позволяют осуществлять циркуляцию жидкости в замкнутом контуре в импульсно-волновом режиме, имитируя таким образом пульсовые волны при регулярном сердечном ритме, а также при экстрасистолии или фибрилляции предсердий с различной частотой сокращений желудочков в минуту. При имитации коронарного кровотока мы учитывали двойной его характер как в систолу, так и в диастолу сердца.

Таким образом, с помощью разработанного нами оригинального устройства для моделирования внутриартериального кровообращения оказалось возможным изучить особенности внутриартериальной гемодинамики при различных условиях функционирования системы кровообращения, в том числе при нарушениях сердечного ритма.

РЕЗУЛЬТАТЫ

В первой части эксперимента внутрь трубки мы устанавливали имитацию внутрисосудистого эндопротеза. В качестве внутрисосудистого эндопротеза использовалось специальное устройство длиной 71 мм и диаметром 18 мм, сделанное в виде сетки с балками, направленными спиралевидно (толщина балок 0,8–1 мм). Эндопротез вводился с входного конца стеклянной трубки до плотного соприкосновения с внутренней поверхностью стенок. Он располагался неподвижно внутри трубки и не перемещался с током жидкости (рисунок 2).

Рисунок 2. Эндопротез, установленный в трубке.

Figure 2. An endoprosthesis installed in the tube.

Далее внутрь эндопротеза мы устанавливали проводник с шелковой нитью длиной 5 см. После этого мы включали насос и устанавливали его в режим работы как при правильном сердечном ритме, так и при экстрасистолии (рисунок 3).

Рисунок 3. Эндопротез в трубке, проводник с шелковой нитью.

Figure 3. The endoprosthesis in the tube, a conductor with a silk thread.

При экстрасистолической аритмии при прохождении волны первого постэкстрасистолического сокращения мы наблюдали интенсивное воздействие волной давления (индикатором была шелковая нить) на стенки сосуда, с образованием отраженных, стоячих волн в виде резкого смещения нити в перпендикулярном направлении.

При установке внутрисосудистого пьезокристаллического датчика давления внутрь трубки измерения подтвердили наши наблюдения. Так, прирост давления при прохождении первой постэкстрасистолической волны при многократных повторяющихся измерениях составил в среднем 160% по сравнению с давлением при имитации правильного сердечного ритма.

На втором этапе эксперимента мы внутрь трубки вводили пластиковые диафрагмы с сужением внутреннего отверстия, имитирующим стеноз 50%, 70% с симметричным и асимметричным отверстием и 90% от исходного внутреннего диаметра трубки, и по аналогии с первым экспериментом проводили наблюдение за движением шелковой нити. Шелковую нить перемещали относительно диафрагм на различную глубину. Вновь имитировали пульсовые волны, возникающие при экстрасистолической аритмии. Фиксировали интенсивное воздействие отраженных и стоячих волн на краевые области диафрагм (рисунки 4, 5, 6).

Рисунок 4. Движение шелковой нити внутри сосуда, с установленными диафрагмами и эндопротезом (шелковая нить установлена проксимально по ходу движения жидкости).

Figure 4. The silk thread movements in the tube with diaphragms and the endoprosthesis (the thread is installed proximally along the liquid flow).

Рисунок 5. Движение шелковой нити внутри сосуда с установленными диафрагмами и эндопротезом (шелковая нить установлена более дистально по ходу движения жидкости, зафиксирована стоячая волна).

Figure 5. The silk thread movements in the tube with diaphragms and the endoprosthesis (the thread is installed more distally along the liquid flow, a standing wave is registered).

Рисунок 6. Движение шелковой нити внутри сосуда с установленными диафрагмами и эндопротезом (шелковая нить установлена более дистально по ходу движения жидкости, зафиксирована отраженная волна).

Figure 6. The silk thread movements in the tube with diaphragms and the endoprosthesis (the thread is installed more distally along the liquid flow, a reflected wave is registered).

ОБСУЖДЕНИЕ

С помощью разработанного нами устройства для моделирования внутриартериального кровообращения мы смогли визуализировать, количественно и качественно охарактеризовать гемодинамические процессы, происходящие внутри артериального сосуда. В первую очередь, нас интересовало, происходит ли появление дополнительных факторов механического воздействия на артериальную сосудистую стенку во время прохождения волны первого постэкстрасистолического сокращения.

Ранее в наших работах мы писали о возрастании основных факторов кинетики магистральных артерий при различных видах экстрасистолии, измеренных с помощью метода компьютерной сфигмографии [7]. Нам хотелось подтвердить полученные результаты экспериментально с помощью моделирования.

В настоящей экспериментальной работе мы получили возрастание внутрисосудистого давления, измеренное с помощью пьезокристаллического датчика давления, при прохождении волны первого постэкстрасистолического сокращения, в среднем на 160% по сравнению с регулярной волной сердечного сокращения. Мы могли наблюдать возникновение стоячих и отраженных волн давления внутри трубки. Особенно механическое воздействие волн давления было интенсивным на краевые области диафрагм. Данное явление мы можем охарактеризовать понятием «гидравлический удар». Гидравлический удар – это механическое воздействие повышенных гемодинамических параметров внутрисосудистого давления на внутреннюю стенку артериального сосуда; он возникает при прохождении волны первого постэкстрасистолического сокращения.

Таким образом, в артериальном сосуде при экстрасистолии происходит возрастание параметров гемодинамики с преимущественным механическим воздействием на краевые зоны уже имеющейся бляшки. Если внутри коронарной артерии установлен стент, то воздействие механической волны давления в первом постэкстрасистолическом сокращении может быть тем самым травмирующим фактором, который инициирует и стимулирует рост неоинтимы, запускает череду патофизиологических процессов, приводящих к развитию неоатеросклероза и рестеноза на имплантированном внутрисосудистом стенте. Данное утверждение справедливо как для коронарных артерий, так и для почечных артерий, а также для сонных артерий, где могут быть установлены внутрисосудистые стенты.

ВЫВОДЫ

При прохождении волны первого постэкстрасистолического сокращения в артериальном сосуде возникает гидравлический удар. Значение его влияния на гемодинамику возрастает, когда имеются частая экстрасистолия, аллоритмии.

Механическое воздействие гидравлического удара при экстрасистолии может быть пусковым моментом для начала и прогрессирования рестеноза в имплантированном внутрисосудистом стенте.

Своевременное лечение и купирование экстрасистолической аритмии в комплексе со стандартной терапией, назначенной пациенту, способствуют профилактике развития рестенозов.

Возможности устройства для моделирования внутриартериального кровообращения позволяют проводить экспериментальную часть широкого спектра работ в кардиологии, сердечно-сосудистой хирургии, нормальной и патологической физиологии. Данное устройство подано на патент РФ, получена приоритетная справка, ведется экспертиза по существу.

Конфликт интересов: все авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов, требующего раскрытия в данной статье.