Este artigo descreve os procedimentos para a implantação de um novo hidrogel em não corações e quantificar o seu efeito sobre o estresse da parede do ventrículo esquerdo e função. Estes procedimentos têm sido aplicados com sucesso em cães e seres humanos.
A injecção de Algisyl-LVR, um tratamento sob desenvolvimento clínico, destina-se a tratar pacientes com cardiomiopatia dilatada. Este tratamento foi recentemente utilizada pela primeira vez em pacientes com insuficiência cardíaca sintomática. Em todos os pacientes, a função cardíaca do ventrículo esquerdo (VE) melhorou significativamente, como manifestada por uma redução consistente do volume do VE e stress da parede. Aqui descrevemos a este procedimento de tratamento novos e os métodos utilizados para quantificar os efeitos sobre a pressão LV e a função de parede.
Algisyl-LVR é um gel de biopolímero consistindo de alginato de Na +-Ca2 + e-alginato. O procedimento de tratamento foi realizada por mistura destes dois componentes e, em seguida, combiná-las em uma seringa para injecções intramiocárdicas. Esta mistura foi injetado em 10 a 19 locais a meio caminho entre a base eo vértice da parede livre do VE em pacientes.
Ressonância magnética (MRI), em conjuntomodelagem matemática, foi utilizada para quantificar os efeitos deste tratamento em pacientes antes do tratamento e em vários pontos temporais durante a recuperação. As superfícies epicárdio e endocárdio foram digitalizadas primeiro a partir das imagens de RM para reconstruir a geometria do VE no final da sístole e no final da diástole. Volume da cavidade ventricular esquerda foram medidos a partir destas superfícies reconstruídas.
Os modelos matemáticos da LV foram criados a partir dessas superfícies MRI-reconstruídos para calcular o estresse myofiber regional. Cada modelo LV foi construído de modo a que: 1) que se deforma de acordo com uma relação de tensão-deformação previamente validada do miocárdio, e 2), o volume da cavidade do LV a partir destes modelos previsto corresponde ao volume correspondente RM medido no final da diástole e no final da sístole . O enchimento diastólico foi simulada através do carregamento a superfície do endocárdio do VE com uma pressão diastólica final fixado. Contração sistólica foi simulado simultaneamente carregar o finalocardial superfície com uma pressão sistólica final prescrito e adicionando contração ativa na direção myofiber. Estresse myofiber Regional no final da diástole e sístole final foi calculado a partir da LV deformado baseado na relação tensão-deformação.
Redução do estresse da parede ventricular é considerada um marco no tratamento da insuficiência cardíaca 1. Na sua forma mais simples, dado pela lei de Laplace, o stress da parede ventricular é directamente proporcional ao diâmetro do ventrículo e da pressão ventricular, e é inversamente proporcional à espessura da parede do ventrículo. Acredita-se que o aumento da tensão na parede ventricular é responsável pelo processo de remodelamento adverso em que os ventrículos se tornam progressivamente dilatadas, acabou levando a insuficiência cardíaca 2. Estudos clínicos e em animais mostraram que o aumento da tensão na parede induz mudanças na síntese de proteínas, elemento contrátil e expressão gênica que suportam o processo de remodelação 3,4,5. O aumento da tensão na parede também foi mostrado para ser um preditor independente de posterior remodelação LV 6,7.
Muitos novos tratamentos cirúrgicos e dispositivos têm sido desenvolvidos com acentral objetivo de reduzir o estresse da parede ventricular em uma tentativa de prevenir e reverter a progressão da insuficiência cardíaca em pacientes 8,9,10. Embora estes tratamentos compartilham o mesmo objetivo, eles alcançá-lo de forma diferente. Por exemplo, o procedimento de redução cirúrgica do ventrículo 10 visa reduzir o stress da parede ventricular, reduzindo cirurgicamente o tamanho de um ventrículo esquerdo dilatado, mas a sua consequência é um assunto de controvérsia 11,12.
Recentemente, a injeção de um material biocompatível, Algisyl-LVR, para o ventrículo esquerdo, como um tratamento para a cardiomiopatia dilatada tem atraído considerável atenção da comunidade médica. Este tratamento tem mostrado ser eficaz na prevenção, ou mesmo inversão da progressão da insuficiência cardíaca, em estudos com animais 13,14 e, mais recentemente, num ensaio clínico humano 15. Contrariamente a outros dispositivos, este tratamento visa reduzir o stress da parede ventricular, injectando material dentroda parede do ventrículo esquerdo para engrossar.
O conhecimento detalhado do estresse da parede ventricular, particularmente em seres humanos, no entanto, permanece indefinida. Esta falta de conhecimento é principalmente porque as forças ou tensões não podem ser medidos directamente no ventrículos intacta 16. Embora de forma fechada equações analíticas, tais como a lei de Laplace pode-se estimar o estresse da parede do ventrículo esquerdo, eles foram desenvolvidos com base em suposições restritivas que incluem eixo de simetria da LV, material de isotropia e homogeneidade dentro do LV. Devido a esses fatores, a previsão de estresse da parede ventricular em LV real usando a lei de Laplace é impreciso 17. Para remover essas restrições e obter uma previsão mais precisa do estresse da parede, modelagem matemática ventricular usando o método dos elementos finitos (FE) com a geometria ventricular paciente específico deve ser usado no lugar da lei de Laplace simplificada 17.
O método FE é um nutécnica merical que é freqüentemente usado para resolver um conjunto de equações diferenciais parciais (PDE) que descrevem um problema de valor de contorno. Este método é particularmente útil quando uma solução de forma fechada é difícil ou não podem ser obtidas analiticamente. No contexto de um modelo LV matemática utilizada para quantificar o stress da parede ventricular, o conjunto de equações diferenciais parciais são as equações de equilíbrio mecânico (equilíbrio da quantidade de movimento), que descrevem o movimento de VE de carga ou quando a pressão é aplicada à superfície do endocárdio do ventrículo esquerdo. Quando o método de FEC é usado, a parede do LV é dividido em interligados subdomínios ou elementos (geralmente hexaedro, com 8 nós de canto) que se deformam de acordo com uma relação de tensão-deformação prescrito do miocárdio.
Relações tensão-deformação descrevendo grande deformação do VE durante o enchimento passivo em diástole e durante a contração ativa em sístole foram previamente validado em estudos com animais de grande porte. A LV é modeladaser cerca de três vezes mais rígida na direcção da fibra muscular do que em direcções perpendiculares à direcção da fibra muscular durante a diástole 18. Activo contracção durante a sístole é modelada por aumentar a rigidez do VE ao longo do sentido da fibra muscular. Este aumento de rigidez é uma função do tempo e depende de variáveis determinadas experimentalmente, como a concentração de cálcio intracelular e a duração sarcómero 19.
Utilizando esta relação de tensão-deformação prescrita do miocárdio, o método FE calcula as novas posições nodais baseado em carga (s) aplicado ao LV. Uma vez que as novas posições nodais são calculadas, a estirpe resultante (uma medida da deformação) e stress pode ser determinada em cada elemento para produzir a tensão e a distribuição de tensão no interior do ventrículo esquerdo.
Aqui, descrevemos os passos necessários para implantar Algisyl-LVR em pacientes e para criar o correspondente LV específica para cada pacientemodelos matemáticos, antes e após o tratamento para quantificar o estresse da parede do ventrículo esquerdo.
Terapia de injeção Algisyl-LVR
A injeção de material para a parede livre do VE para reduzir o estresse da parede ventricular é um novo tratamento desenvolvido para pacientes com cardiomiopatia dilatada. Este tratamento tem mostrado grande promessa em estudos pré-clínicos e clínicos 15. Um estudo randomizado, controlado para avaliar este tratamento como um método de aumento do VE em pacientes com insuficiência cardíaca grave (AUGMENT-HF) está em curso desde Fevereiro de 2012.
Várias iterações do produto estão sendo desenvolvidos que têm como alvo diferentes segmentos médico e necessidades clínicas. Na versão do produto cirúrgica para cirurgiões cardiotorácica, o alginato é entregue em uma seringa padrão e sistema de agulha projetada para os cirurgiões para realizar as injeções através de uma pequena incisão cirúrgica no tórax (toracotomia mínima). O procedimento de implante é realizada com o coração batendo. As propriedades físicas do alginato hydRogel mediante injecção no miocárdio, são semelhantes ao do miocárdio diastólica, e tornar-se um implante permanente. A duração do procedimento operatório total deverá ser inferior a 60 minutos na maioria dos casos, limitando a exposição do paciente a um mínimo de tempo de anestesia. Uma segunda versão do produto pode oferecer aos pacientes com insuficiência cardíaca de um procedimento que pode ser realizado por cardiologistas de intervenção e, em alguns casos isolados, outros especialistas em laboratório cardiologia não invasiva ou híbrido. Iria também permitir a efeitos agudos a ser estudado.
Quantificação do estresse ventricular esquerda utilizando modelagem matemática
O método de utilização de modelagem matemática com o método FE é atualmente a única maneira de quantificar com precisão in-vivo estresse de parede regional nos ventrículos. Combinando modelagem matemática com imagens médicas, como ressonância magnética permite que se calcule in-vivo estresse regionais na parede ven específica para cada pacientetricles de modo a ajudar a compreender o estado funcional dos ventrículos e quantificar os efeitos mecânicos do tratamento de injecção no doente.
Embora tenhamos tratado do VE como um material homogéneo aqui, este método pode ser (e foram) estendido para quantificar o stress da parede ventricular in vivo em ventrículos não homogéneos, em especial o enfarte do miocárdio, quando estiver presente. Em tais casos, os limites do enfarte e da sua borderzone adjacentes têm de ser identificados a partir de ressonância magnética usando o gadolínio como agente de contraste. Estes limites são importados para TrueGrid para criar elementos puramente que residem dentro de cada região distinta, isto é, o enfarte, a borderzone ea região remota. Os parâmetros de material que reflectem alterações patológicas em cada região pode ser atribuído através dos respectivos elementos no LS-DYNA. Estes parâmetros têm de ser encontrado em um paciente com enfarte do miocárdio utilizando in vivo estirpe RM medido a partir do miocárdio com etiquetas21. Pacientes que necessitam de revascularização cirúrgica, muitas vezes experimentam fibrilação atrial no período pós-operatório, que está associado com a qualidade dos dados de ressonância magnética com a tag muito pobres. Tais pacientes também necessitam de alguns dias para se recuperar de uma cirurgia. Assim, a ecocardiografia 3D e salpico de rastreamento pode ser uma modalidade de imagem mais apropriada e técnica de medição de tensão do miocárdio do que marcou a ressonância magnética para estudar os efeitos agudos de procedimentos cirúrgicos.
Por fim, foi utilizado o software comercial Rapidform, Truegrid e LS-DYNA no processo de geração de modelos matemáticos específicos para cada paciente dos ventrículos porque descobrimos que eles sejam geralmente eficientes no cumprimento das respectivas tarefas. No entanto, outro software está disponível, como Cubit (para gerar FE mesh) e Abaqus (a solver FE), que também podem ser adequados para a criação de modelos matemáticos dos ventrículos.
The authors have nothing to disclose.
Este estudo foi apoiado pelo National Heart, Lung, and Blood Institute Grants R01-HL-77921 e -86400 (a JM Guccione).
REGENTS | |||
Na+-Alginate | LoneStar Heart, Inc | ||
Ca2+-Alginate | LoneStar Heart, Inc | ||
EQUIPMENT | |||
MevisLab | Mevis Medical Solution | ||
TrueGrid | XYZ Scientific Application, Inc | ||
Rapidform | Inus Technology, Inc | ||
LS-Dyna | Livermore Software Technology Corporation |