Cet article décrit les procédures pour l'implantation d'un roman hydrogel dans les coeurs défaillants et de quantifier ses effets sur la gauche le stress de la paroi ventriculaire et la fonction. Ces procédures ont été appliquées avec succès chez les chiens et les humains.
Injection de Algisyl-LVR, un traitement en cours de développement clinique, est destiné à traiter les patients atteints de cardiomyopathie dilatée. Ce traitement a été récemment utilisé pour la première fois chez les patients ayant une insuffisance cardiaque symptomatique. Chez tous les patients, la fonction cardiaque du ventricule gauche (VG) a amélioré de façon significative, telle qu'elle se manifeste par une réduction constante du volume LV et le stress de la paroi. Ici, nous décrivons cette procédure de traitement roman et les méthodes utilisées pour quantifier ses effets sur le stress paroi du VG et la fonction.
Algisyl-LVR est un gel de bio-polymère constitué de Na +-alginate et de Ca 2 + alginate. La procédure de traitement a été réalisée par le mélange de ces deux composants, puis de les combiner en une seule seringue pour injections intramyocardiques. Ce mélange a été injecté à 10 à 19 emplacements à mi-chemin entre la base et le sommet de la paroi libre LV chez les patients.
L'imagerie par résonance magnétique (IRM), ainsi queavec la modélisation mathématique, a été utilisé pour quantifier les effets de ce traitement chez les patients avant le traitement et à différents moments pendant la récupération. Les surfaces épicardique et endocardique ont d'abord été numérisées à partir des images IRM de reconstituer la géométrie LV à la fin de systole et en fin de diastole. Gauche volumes des cavités ventriculaires ont ensuite été mesurées à partir de ces surfaces reconstruites.
Les modèles mathématiques de la LV ont été créés à partir de ces surfaces IRM reconstruites pour calculer le stress myofiber régional. Chaque modèle LV a été construite de telle sorte que 1) il se déforme selon une relation contrainte-déformation préalablement validé sur le myocarde, et 2) la cavité du volume LV à partir de ces modèles prédit correspond au volume IRM mesurée correspondant à la fin de diastole et de fin de systole . Remplissage diastolique a été simulé en chargeant la surface endocardique LV avec une pression en fin de diastole prescrit. Contraction systolique a été simulé en chargeant simultanément la finocardial surface avec une pression en fin de systole prescrits et en ajoutant contraction active dans la direction des fibres musculaires. Stress myofiber régional à la fin de diastole et de fin de systole est calculée à partir de la LV déformée sur la base de la relation contrainte-déformation.
La réduction du stress de la paroi ventriculaire est considérée comme une pierre angulaire dans le traitement de l'insuffisance cardiaque 1. Dans sa forme la plus simple proposée par la loi de Laplace, le stress de la paroi ventriculaire est directement proportionnelle au diamètre du ventricule et la pression ventriculaire, et est inversement proportionnelle à l'épaisseur de la paroi du ventricule. Il est largement admis que l'augmentation du stress de la paroi ventriculaire est responsable du processus de remodelage défavorable dans laquelle les ventricules se dilatent progressivement, pour aboutir finalement à une insuffisance cardiaque 2. Des études cliniques et animales ont montré que l'augmentation du stress de la paroi induit des changements dans les protéines, la synthèse de l'élément contractile et l'expression des gènes qui soutiennent le processus de remodelage 3,4,5. Augmentation du stress mur a également été montré pour être un prédicteur indépendant de la suite remodelage du VG 6,7.
Beaucoup de nouveaux traitements et dispositifs chirurgicaux ont été développés avec acentral but de réduire le stress de la paroi ventriculaire dans le but de prévenir et d'inverser la progression de l'insuffisance cardiaque chez les patients 8,9,10. Bien que ces traitements partagent le même objectif, ils atteignent différemment. Par exemple, la procédure de réduction ventriculaire chirurgicale 10 vise à réduire le stress de la paroi ventriculaire par la réduction chirurgicale de la taille d'un ventricule gauche dilaté, mais son résultat est un sujet de controverse 11,12.
Récemment, l'injection d'un matériau biocompatible, Algisyl-LVR, dans le ventricule gauche pour le traitement de la cardiomyopathie dilatée a suscité une attention considérable dans la communauté médicale. Ce traitement a été montré pour être efficace dans la prévention ou même inverser la progression de l'insuffisance cardiaque dans les études animales 13,14 et, plus récemment, dans un essai clinique chez l'homme 15. Contrairement à d'autres appareils, ce traitement vise à réduire le stress de la paroi ventriculaire par injection de matière dansla paroi du ventricule gauche à épaissir.
Une connaissance détaillée du stress de la paroi ventriculaire, en particulier chez l'homme, cependant, reste insaisissable. Ce manque de connaissance est principalement parce que les forces ou des contraintes ne peuvent pas être mesurés directement dans le ventricule intact 16. Bien que de forme fermée équations analytiques telles que la loi de Laplace peut estimer gauche le stress de la paroi ventriculaire, ils ont été élaborés sur la base des hypothèses restrictives qui comprennent axe symétrie de la LV, isotropie du matériau et de l'homogénéité au sein de la LV. En raison de ces facteurs, la prédiction du stress de la paroi ventriculaire en LV réel en utilisant la loi de Laplace est inexacte 17. Pour supprimer ces restrictions et obtenir une prévision plus précise de la contrainte sur la paroi, la modélisation mathématique ventriculaire en utilisant la méthode des éléments finis (EF) avec la géométrie du ventricule spécifique du patient doit être utilisé à la place de la loi de Laplace simplifiée 17.
La méthode FE est un nuriques technique qui est souvent utilisée pour résoudre un ensemble d'équations aux dérivées partielles (EDP) décrivant un problème de valeur limite. Cette méthode est particulièrement utile quand une solution de forme fermée est difficile ou ne peut pas être obtenue analytiquement. Dans le contexte d'un modèle LV mathématique utilisé pour quantifier le stress de la paroi ventriculaire, l'ensemble des équations aux dérivées partielles sont les équations qui régissent l'équilibre mécanique (solde de la quantité de mouvement) qui décrivent le mouvement LV lorsque la pression ou la charge est appliquée à la surface de l'endocarde du LV. Lorsque la méthode FE est utilisé, la paroi du VG est divisé en sous-domaines ou des éléments (généralement hexaèdre à 8 nœuds de coin) qui se déforment selon une relation contrainte-déformation prescrit du myocarde interconnectés.
Relations contrainte-déformation décrivant une déformation importante de la LV pendant le remplissage passive en diastole et lors de la contraction active dans systole ont déjà été validé dans les grandes études animales. Le LV est modéliséà approximativement trois fois plus rigide dans la direction de myofiber que dans des directions perpendiculaires à la direction de myofiber 18 pendant la diastole. Contraction active pendant la systole est modélisé par l'augmentation de la rigidité de la LV long de la direction de la fibre musculaire. Cette augmentation de la rigidité est une fonction du temps et dépend des variables déterminées expérimentalement, comme la concentration en calcium intracellulaire et la longueur des sarcomères 19.
En utilisant cette relation contrainte-déformation prescrit du myocarde, le procédé FE calcule les nouvelles positions nodales basées sur la charge (s) appliqué à la LV. Une fois les nouvelles positions nodales sont calculées, la souche résultante (une mesure de la déformation) et le stress peuvent être déterminées dans chaque élément pour produire la souche et la répartition des contraintes dans le LV.
Ici, nous décrivons les étapes requises pour implanter Algisyl-LVR chez les patients et pour créer le LV spécifique au patient correspondantdes modèles mathématiques, avant et après traitement pour quantifier la contrainte de paroi LV.
Traitement par injection Algisyl-LVR
Injection de matière dans la paroi libre LV pour réduire le stress de la paroi ventriculaire est un nouveau traitement destiné aux patients atteints de cardiomyopathie dilatée. Ce traitement a montré des résultats prometteurs dans des études précliniques et cliniques 15. Une étude contrôlée randomisée pour évaluer ce traitement comme méthode de LV augmentation pour les patients atteints d'insuffisance cardiaque sévère (AUGMENT-HF) est en cours depuis Février 2012.
Plusieurs itérations du produit sont en cours de développement qui ciblent les différents segments des médecins et des besoins cliniques. Dans la version chirurgicale de produits pour les chirurgiens cardiothoraciques, l'alginate est livré dans une seringue standard et le système d'aiguille spécialement conçu pour les chirurgiens d'effectuer les injections à travers une petite incision chirurgicale à la poitrine (thoracotomie minimal). La procédure d'implantation est réalisée sur un cœur qui bat. Les propriétés physiques de l'alginate hydRoguel lors de l'injection dans le myocarde est similaire à celle du myocarde diastolique, et de devenir un implant permanent. On prévoit que la durée de la procédure totale de fonctionner pour être inférieur à 60 minutes dans la plupart des cas, de limiter l'exposition du patient à un temps d'anesthésie minimale. Une deuxième version du produit peut offrir aux patients atteints d'insuffisance cardiaque, une procédure qui peut être effectuée par les cardiologues interventionnels et, dans certains cas isolés, d'autres spécialistes dans un laboratoire de cardiologie non invasive ou hybride. Elle permettrait aussi des effets aigus à étudier.
Quantification du stress du ventricule gauche en utilisant la modélisation mathématique
La méthode d'utilisation de la modélisation mathématique avec la méthode FE est actuellement le seul moyen de quantifier précisément le stress mur régionale in vivo dans les ventricules. La combinaison de la modélisation mathématique avec l'imagerie médicale comme l'IRM permet de calculer le stress mur régionale in vivo dans ven spécifique au patienttricles afin d'aider à comprendre l'état de fonctionnement de ces ventricules et de quantifier les effets mécaniques du traitement par injection chez les patients.
Bien que nous ayons traité la LV comme un matériau homogène ici, cette méthode peut être (et a été) étendu à quantifier le stress de la paroi ventriculaire in vivo dans les ventricules non homogènes, en particulier, lorsque l'infarctus du myocarde est présent. Dans de tels cas, les limites de l'infarctus et de son borderzone adjacent doivent être identifiés à l'aide de l'IRM gadolinium comme agent de contraste. Ces limites sont importés dans TrueGrid pour créer des éléments que purement résident dans chaque région distincte, à savoir, l'infarctus, le borderzone et la région reculée. paramètres de matériau réfléchissant changements pathologiques dans chaque région peuvent être affectés par les éléments respectifs dans LS-DYNA. Ces paramètres ont été trouvés chez un patient avec un infarctus du myocarde en utilisant in vivo souche infarctus mesurée à partir de l'IRM marquée21. Les patients qui ont besoin d'une revascularisation chirurgicale éprouvent souvent fibrillation auriculaire au cours de la période post-opératoire, qui est associée à la qualité des données d'IRM taggés très pauvres. Ces patients ont également besoin de quelques jours pour récupérer de la chirurgie. Ainsi, l'échocardiographie 3D et le chatoiement de suivi peut être une modalité d'imagerie plus appropriée et la technique de mesure de déformation myocardique marqué que l'IRM pour étudier les effets aigus de procédures chirurgicales.
Enfin, nous avons utilisé le logiciel commercial Rapidform, Truegrid et LS-DYNA dans le processus de génération de modèles mathématiques spécifiques au patient des ventricules parce que nous avons trouvé qu'ils soient généralement efficaces dans l'accomplissement de leurs tâches respectives. Cependant, d'autres logiciels sont disponibles, tels que Coudée (pour générer le maillage EF) et Abaqus (un solveur FE) qui peut également convenir pour créer des modèles mathématiques des ventricules.
The authors have nothing to disclose.
Cette étude a été soutenue par les National Heart, Lung, and Blood Institute subventions R01-HL-77921 et -86400 (à 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 |