Zastawka aortalna

Zastawka aorty jest uważana za najbardziej zbadaną, ponieważ została opisana dawno temu, począwszy od Leonarda da Vinci (1513) i Valsalvy (1740), i wielokrotnie, zwłaszcza w drugiej połowie XX wieku. Jednocześnie badania minionych lat miały głównie charakter opisowy lub, rzadziej, porównawczy. Począwszy od pracy J. Zimmermana (1969), w której autor zaproponował rozważenie „funkcji zastawki jako kontynuacji jej struktury”, większość badań zaczęła mieć charakter morfofunkcjonalny. To podejście do badania funkcji zastawki aorty poprzez badanie jej struktury było, w pewnym stopniu, spowodowane trudnościami metodologicznymi bezpośredniego badania biomechaniki zastawki aorty jako całości. Badania anatomii funkcjonalnej umożliwiły określenie granic morfofunkcjonalnych zastawki aorty, wyjaśnienie terminologii, a także w dużym stopniu zbadanie jej funkcji.

Dzięki tym badaniom zastawkę aorty zaczęto w szerokim ujęciu postrzegać jako pojedynczą strukturę anatomiczną i funkcjonalną, związaną zarówno z aortą, jak i z lewą komorą.

Zgodnie ze współczesnymi koncepcjami zastawka aorty jest strukturą objętościową o kształcie lejka lub walca, składającą się z trzech zatok, trzech trójkątów Henlego międzyklipsowych, trzech płatków półksiężycowatych i pierścienia włóknistego, których bliższą i dalszą granicą są odpowiednio połączenie komorowo-aortalne i połączenie zatokowo-cewkowe.

Mniej powszechnie używany jest termin „kompleks zastawkowo-aortalny”. W węższym znaczeniu zastawka aortalna jest czasami rozumiana jako element blokujący składający się z trzech płatków, trzech spoidł i pierścienia włóknistego.

Z punktu widzenia mechaniki ogólnej zastawkę aortalną uważa się za strukturę kompozytową składającą się z mocnego włóknistego (siłowego) szkieletu i umieszczonych na nim stosunkowo cienkich elementów powłoki (ścian zatok i płatków). Odkształcenia i ruchy tego szkieletu zachodzą pod wpływem sił wewnętrznych powstających w przymocowanych do niego skorupach. Szkielet z kolei determinuje odkształcenia i ruchy elementów powłoki. Szkielet składa się głównie z ciasno upakowanych włókien kolagenowych. Taka konstrukcja zastawki aortalnej determinuje trwałość jej funkcji.

Zatoki Valsalvy to poszerzona część początkowego odcinka aorty, ograniczona proksymalnie przez odpowiedni segment pierścienia włóknistego i płatek, a dystalnie przez połączenie zatokowo-cylindryczne. Zatoki są nazywane zgodnie z tętnicami wieńcowymi, od których odchodzą: prawa wieńcowa, lewa wieńcowa i niewieńcowa. Ściana zatok jest cieńsza od ściany aorty i składa się tylko z błony wewnętrznej i środkowej, nieco pogrubionych włóknami kolagenowymi. W tym przypadku liczba włókien elastyny w ścianie zatok zmniejsza się, a włókna kolagenowe zwiększają się w kierunku od połączenia zatokowo-cylindrycznego do połączenia komorowo-aortalnego. Gęste włókna kolagenowe znajdują się głównie wzdłuż zewnętrznej powierzchni zatok i są zorientowane w kierunku obwodowym, a w przestrzeni podkomisuralnej uczestniczą w tworzeniu trójkątów międzypłatowych, które podtrzymują kształt zastawki. Główną rolą zatok jest redystrybucja napięcia między płatkami i zatokami podczas rozkurczu i ustalenie równowagi płatków podczas skurczu. Zatoki są podzielone na poziomie ich podstawy trójkątami międzypłatowymi.

Włóknista struktura tworząca zastawkę aorty jest pojedynczą przestrzenną strukturą silnych włóknistych elementów korzenia aorty, włóknistego pierścienia podstawy zastawek, prętów komisuralnych (kolumn) i połączenia zatokowo-rurowego. Połączenie zatokowo-rurowe (pierścień łukowy lub łukowaty grzbiet) jest falistą anatomiczną konstrukcją łączącą zatoki z aortą wstępującą.

Połączenie komorowo-aortalne (pierścień podstawy zastawki) to okrągłe połączenie anatomiczne między ujściem lewej komory a aortą, która jest strukturą włóknistą i mięśniową. W zagranicznej literaturze chirurgicznej połączenie komorowo-aortalne jest często nazywane „pierścieniem aorty”. Połączenie komorowo-aortalne tworzy średnio 45-47% mięśnia sercowego stożka tętniczego lewej komory.

Spoidło jest linią połączenia (kontaktu) sąsiednich płatków z ich obwodowymi proksymalnymi krawędziami na wewnętrznej powierzchni dystalnego odcinka korzenia aorty, a jego dystalny koniec znajduje się w połączeniu zatokowo-rurowym. Pręty (kolumny) spoidłowe są miejscami fiksacji spoidł na wewnętrznej powierzchni korzenia aorty. Kolumny spoidłowe są dystalnym przedłużeniem trzech segmentów pierścienia włóknistego.

Trójkąty międzyklipsowe Henlego to włókniste lub włóknisto-mięśniowe składniki korzenia aorty, zlokalizowane w pobliżu spoidł między sąsiadującymi segmentami pierścienia włóknistego i ich odpowiednich płatków. Anatomicznie trójkąty międzyklipsowe są częścią aorty, ale funkcjonalnie zapewniają drogi odpływu z lewej komory i są dotknięte hemodynamiką komorową, a nie aortalną. Trójkąty międzyklipsowe odgrywają ważną rolę w biomechanicznej funkcji zastawki, umożliwiając zatokom względnie niezależne funkcjonowanie, łącząc je i utrzymując jednolitą geometrię korzenia aorty. Jeśli trójkąty są małe lub asymetryczne, rozwija się wąski włóknisty pierścień lub zniekształcenie zastawki z następczą dysfunkcją płatków. Tę sytuację można zaobserwować w przypadku dwupłatkowych zastawek aortalnych.

Guzek jest elementem blokującym zastawki, którego proksymalna krawędź rozciąga się od półksiężycowatej części pierścienia włóknistego, która jest gęstą strukturą kolagenową. Guzek składa się z korpusu (głównej obciążonej części), powierzchni koaptacji (zamknięcia) i podstawy. Wolne krawędzie sąsiednich guzków w pozycji zamkniętej tworzą strefę koaptacji rozciągającą się od spoidł do środka guzka. Pogrubiona trójkątna część środkowa strefy koaptacji guzka nazywana jest węzłem Aranziego.

Płatek tworzący zastawkę aorty składa się z trzech warstw (aortalnej, komorowej i gąbczastej) i jest pokryty od zewnątrz cienką warstwą śródbłonka. Warstwa zwrócona ku aorcie (włóknista) zawiera głównie włókna kolagenowe zorientowane obwodowo w postaci wiązek i pasm oraz niewielką ilość włókien elastyny. W strefie koaptacji wolnego brzegu płatka warstwa ta występuje w postaci pojedynczych wiązek. Wiązki kolagenowe w tej strefie są „zawieszone” między kolumnami komisuralnymi pod kątem około 125° względem ściany aorty. W trzonie płatka wiązki te odchodzą pod kątem około 45° od pierścienia włóknistego w postaci półelipsy i kończą się po jego przeciwnej stronie. Takie ułożenie wiązek „siłowych” i krawędzi płatka w formie „mostka wiszącego” ma na celu przeniesienie obciążenia ciśnieniowego podczas rozkurczu z płatka do zatok i włóknistej struktury tworzącej zastawkę aorty.

W nieobciążonej zastawce włókniste wiązki znajdują się w stanie skurczonym w postaci falistych linii zlokalizowanych w kierunku obwodowym w odległości około 1 mm od siebie. Włókna kolagenowe tworzące wiązki mają również falistą strukturę w zrelaksowanej zastawce o okresie fali około 20 μm. Po przyłożeniu obciążenia fale te prostują się, umożliwiając rozciągnięcie tkanki. Całkowicie wyprostowane włókna stają się nierozciągliwe. Fałdy wiązek kolagenowych łatwo prostują się pod wpływem niewielkiego obciążenia zastawki. Te wiązki są wyraźnie widoczne w stanie obciążonym i w świetle przechodzącym.

Stałość proporcji geometrycznych elementów korzenia aorty badano metodą anatomii funkcjonalnej. W szczególności stwierdzono, że stosunek średnic połączenia zatokowo-tubularnego do podstawy zastawki jest stały i wynosi 0,8-0,9. Dotyczy to kompleksów zastawkowo-aortalnych osób młodych i w średnim wieku.

Wraz z wiekiem zachodzą jakościowe procesy zaburzeń struktury ściany aorty, którym towarzyszy spadek jej elastyczności i rozwój zwapnień. Prowadzi to z jednej strony do jej stopniowego rozszerzania, a z drugiej do spadku elastyczności. Zmiany proporcji geometrycznych i spadek rozciągliwości zastawki aortalnej występują w wieku powyżej 50-60 lat, czemu towarzyszy zmniejszenie powierzchni otwarcia płatków i pogorszenie cech funkcjonalnych zastawki jako całości. Związane z wiekiem cechy anatomiczne i funkcjonalne korzenia aorty pacjentów należy uwzględnić podczas wszczepiania bezszkieletowych substytutów biologicznych w położenie aortalne.

Pod koniec lat 60. przeprowadzono porównanie struktury takiej formacji, jak zastawka aorty u ludzi i ssaków. Badania te wykazały podobieństwo szeregu parametrów anatomicznych zastawek świńskich i ludzkich, w przeciwieństwie do innych ksenogenicznych korzeni aorty. W szczególności wykazano, że zatoki wieńcowe niewieńcowe i lewe zastawki ludzkiej były odpowiednio największe i najmniejsze. Jednocześnie największa była prawa zatoka wieńcowa zastawki świńskiej, a najmniejsza niewieńcowa. Jednocześnie po raz pierwszy opisano różnice w budowie anatomicznej prawej zatoki wieńcowej zastawki aorty świńskiej i ludzkiej. W związku z rozwojem rekonstrukcyjnej chirurgii plastycznej i wymianą zastawki aortalnej na biologiczne zamienniki bezramowe, w ostatnich latach wznowiono badania anatomiczne zastawki aortalnej.

[ 1 ], [ 2 ], [ 3 ], [ 4 ], [ 5 ], [ 6 ], [ 7 ]

Ludzka zastawka aorty i świńska zastawka aorty

Przeprowadzono badanie porównawcze struktury ludzkiej zastawki aortalnej i świńskiej zastawki aortalnej jako potencjalnego ksenograftu. Wykazano, że ksenogeniczne zastawki mają stosunkowo niski profil i są asymetryczne w większości przypadków (80%) ze względu na mniejszy rozmiar ich zatoki niewieńcowej. Umiarkowana asymetria ludzkiej zastawki aortalnej wynika z mniejszego rozmiaru jej lewej zatoki wieńcowej i nie jest tak wyraźna.

Zastawka aorty świńskiej, w przeciwieństwie do ludzkiej, nie ma włóknistego pierścienia, a jej zatoki nie graniczą bezpośrednio z podstawą płatków. Płatki świńskie są przymocowane swoją półksiężycowatą podstawą bezpośrednio do podstawy zastawki, ponieważ prawdziwy pierścień włóknisty jest nieobecny w zastawkach świńskich. Podstawy zatok i płatków ksenogenicznych są przymocowane do włóknistych i/lub włóknisto-mięśniowych części podstawy zastawki. Na przykład podstawa płatków niewieńcowych i lewych płatków wieńcowych zastawki świńskiej w postaci rozbieżnych płatków (włóknistych i ventnculans) jest przymocowana do włóknistej podstawy zastawki. Innymi słowy, płatki tworzące zastawkę aorty świńskiej nie sąsiadują bezpośrednio z zatokami, jak w allogenicznych korzeniach aorty. Pomiędzy nimi znajduje się dystalna część podstawy zastawki, która w kierunku podłużnym (wzdłuż osi zastawki) na poziomie najbardziej proksymalnego punktu lewej zatoki wieńcowej i niewieńcowej wynosi średnio 4,6 ± 2,2 mm, a prawej zatoki wieńcowej – 8,1 ± 2,8 mm. Jest to ważna i znacząca różnica między zastawką świńską a zastawką ludzką.

Mięśniowe przytwierdzenie stożka aorty lewej komory wzdłuż osi w korzeniu aorty świńskiej jest znacznie bardziej znaczące niż w allogenicznej. W zastawkach świńskich przytwierdzenie to tworzy podstawę prawego płatka wieńcowego i zatokę o tej samej nazwie, a w mniejszym stopniu podstawę sąsiednich segmentów lewego płatka wieńcowego i niewieńcowego. W zastawkach allogenicznych przytwierdzenie to tworzy jedynie podparcie dla podstawy, głównie prawej zatoki wieńcowej, a w mniejszym stopniu lewej zatoki wieńcowej.

Analiza rozmiarów i proporcji geometrycznych poszczególnych elementów zastawki aortalnej w zależności od ciśnienia wewnątrzaortalnego była dość często stosowana w anatomii funkcjonalnej. W tym celu korzeń aorty wypełniano różnymi substancjami utwardzającymi (gumą, parafiną, gumą silikonową, tworzywami sztucznymi itp.), a jego stabilizację strukturalną prowadzono chemicznie lub kriogenicznie pod różnymi ciśnieniami. Otrzymane odlewy lub ustrukturyzowane korzenie aorty badano metodą morfometryczną. Takie podejście do badania zastawki aortalnej pozwoliło ustalić pewne wzorce jej funkcjonowania.

Eksperymenty in vitro i in vivo wykazały, że korzeń aorty jest dynamiczną strukturą, a większość jego parametrów geometrycznych zmienia się w trakcie cyklu pracy serca w zależności od ciśnienia w aorcie i lewej komorze. Inne badania wykazały, że funkcja płatków jest w dużej mierze determinowana przez elastyczność i rozciągliwość korzenia aorty. Ruchy wirowe krwi w zatokach przypisano ważnej roli w otwieraniu i zamykaniu płatków.

Dynamikę parametrów geometrycznych zastawki aortalnej badano w eksperymencie na zwierzętach, wykorzystując szybką kinematografię, kinematografię i kinematografię, a także u zdrowych osób, wykorzystując kinematografię. Badania te pozwoliły nam dość dokładnie oszacować dynamikę wielu elementów korzenia aorty i jedynie wstępnie oszacować dynamikę kształtu i profilu zastawki w trakcie cyklu pracy serca. W szczególności wykazano, że skurczowo-rozkurczowe rozszerzenie połączenia zatokowo-rurowego wynosi 16-17% i ściśle koreluje z ciśnieniem tętniczym. Średnica połączenia zatokowo-rurowego osiąga maksymalne wartości w szczycie ciśnienia skurczowego w lewej komorze, ułatwiając w ten sposób otwieranie zastawek z powodu rozbieżności spoidł na zewnątrz, a następnie zmniejsza się po zamknięciu zastawek. Średnica połączenia zatokowo-rurowego osiąga wartości minimalne pod koniec fazy relaksacji izowolumetrycznej lewej komory i zaczyna się zwiększać w rozkurczu. Kolumny komisuralne i połączenie zatokowo-rurowe, ze względu na swoją elastyczność, uczestniczą w rozkładzie maksymalnego naprężenia w płatkach po ich zamknięciu w okresie szybkiego wzrostu odwrotnego gradientu ciśnienia transvalvularnego. Opracowano również modele matematyczne, aby wyjaśnić ruch płatków podczas ich otwierania i zamykania. Jednak dane z modelowania matematycznego były w dużej mierze niezgodne z danymi eksperymentalnymi.

Dynamika podstawy zastawki aortalnej wpływa na prawidłową pracę płatków zastawki lub wszczepionej bezszkieletowej bioprotezy. Wykazano, że obwód podstawy zastawki (pies i owca) osiągał maksymalną wartość na początku skurczu, zmniejszał się w trakcie skurczu i był minimalny pod koniec. W trakcie rozkurczu obwód zastawki zwiększał się. Podstawa zastawki aortalnej jest również zdolna do cyklicznych asymetrycznych zmian swojej wielkości z powodu skurczu części mięśniowej połączenia komorowo-aortalnego (trójkąty międzyklinowe między prawą i lewą zatoką wieńcową, a także podstawy lewej i prawej zatoki wieńcowej). Ponadto ujawniono odkształcenia ścinające i skrętne korzenia aorty. Największe odkształcenia skrętne odnotowano w obszarze kolumny komisuralnej między zatoką wieńcową niewieńcową a lewą, a minimalne - między zatoką wieńcową niewieńcową a prawą. Wszczepienie bezszkieletowej bioprotezy z półsztywną podstawą może zmienić podatność korzenia aorty na odkształcenia skrętne, co doprowadzi do przeniesienia odkształceń skrętnych na połączenie zatokowo-cylindryczne złożonego korzenia aorty i powstania zniekształcenia płatków bioprotezy.

Przeprowadzono badanie prawidłowej biomechaniki zastawki aortalnej u młodych osób (średnio 21,6 roku) przy użyciu echokardiografii przezprzełykowej z późniejszym komputerowym przetwarzaniem obrazów wideo (do 120 klatek na sekundę) i analizą dynamiki cech geometrycznych elementów zastawki aortalnej w zależności od czasu i faz cyklu pracy serca. Wykazano, że podczas skurczu powierzchnia otwarcia zastawki, kąt promieniowy płatka do podstawy zastawki, średnica podstawy zastawki i długość promieniowa płatka ulegają znacznej zmianie. Średnica połączenia zatokowo-cylindrycznego, długość obwodowa wolnego brzegu płatka i wysokość zatok ulegają zmianie w mniejszym stopniu.

Tak więc, promieniowa długość płatka była maksymalna w fazie rozkurczowej izowolumetrycznego spadku ciśnienia śródkomorowego i minimalna w fazie skurczowej zmniejszonego wyrzutu. Promieniowe skurczowo-rozkurczowe rozciągnięcie płatka wynosiło średnio 63,2±1,3%. Płatek był dłuższy w rozkurczu przy wysokim gradiencie rozkurczowym i krótszy w fazie zmniejszonego przepływu krwi, gdy gradient skurczowy był bliski zera. Obwodowe skurczowo-rozkurczowe rozciągnięcie płatka i połączenia zatokowo-cylindrycznego wynosiło odpowiednio 32,0±2,0% i 14,1±1,4%. Promieniowy kąt nachylenia płatka do podstawy zastawki zmieniał się średnio od 22° w rozkurczu do 93° w skurczu.

Skurczowy ruch płatków tworzących zastawkę aortalną podzielono umownie na pięć okresów:

1. okres przygotowawczy przypada na fazę izowolumetrycznego wzrostu ciśnienia śródkomorowego; zastawki prostują się, nieco skracają w kierunku promieniowym, szerokość strefy koaptacji zmniejsza się, kąt zwiększa się średnio z 22° do 60°;
2. okres szybkiego otwierania zastawek trwał 20-25 ms; wraz z rozpoczęciem wydalania krwi u podstawy zastawek tworzyła się fala inwersji, która szybko rozprzestrzeniała się promieniowo na trzony zastawek i dalej na ich wolne brzegi;
3. szczyt otwarcia zastawki przypada na pierwszą fazę maksymalnego wydalenia; w tym okresie wolne krawędzie zastawek są maksymalnie wygięte w kierunku zatok, kształt otworu zastawki zbliża się do okręgu, a w profilu zastawka przypomina kształtem ścięty odwrócony stożek;
4. okres względnie stabilnego otwarcia zaworów wystąpił w drugiej fazie maksymalnego wydalenia, swobodne krawędzie zaworów wyprostowały się wzdłuż osi przepływu, zawór przyjął kształt walca, a zawory stopniowo się zamknęły; pod koniec tego okresu kształt otworu zaworu stał się trójkątny;
5. okres szybkiego zamknięcia zastawki pokrywał się z fazą zmniejszonego wyrzutu. U podstawy płatków tworzyła się fala rewersyjna, rozciągając skurczone płatki w kierunku promieniowym, co prowadziło do ich zamknięcia najpierw wzdłuż krawędzi komorowej strefy koaptacji, a następnie do całkowitego zamknięcia płatków.

Maksymalne odkształcenia elementów korzenia aorty występują w okresach szybkiego otwierania i zamykania zastawki. Przy szybkich zmianach kształtu płatków tworzących zastawkę aortalną mogą w nich występować duże naprężenia, które mogą prowadzić do zmian zwyrodnieniowych tkanki.

Mechanizm otwierania i zamykania zastawki z powstaniem odpowiednio fali inwersji i fali odwrócenia, a także zwiększenie kąta promieniowego nachylenia zastawki do podstawy zastawki w fazie izowolumetrycznego wzrostu ciśnienia wewnątrz komory można przypisać mechanizmom tłumiącym korzenia aorty, zmniejszającym odkształcenie i naprężenie zastawek zastawki.