Аортальний клапан

Аортальний клапан вважається найбільш вивченим, оскільки його описували давно, починаючи з Леонардо да Вінчі (1513) та Вальсальви (1740), і неодноразово, особливо протягом другої половини 20 століття. Водночас дослідження минулих років носили переважно описовий або, рідше, порівняльний характер. Починаючи з роботи Дж. Циммермана (1969), в якій автор запропонував розглядати «функцію клапана як продовження його структури», більшість досліджень почали носити морфофункціональний характер. Такий підхід до вивчення функції аортального клапана через вивчення його структури був певною мірою зумовлений методологічними труднощами безпосереднього вивчення біомеханіки аортального клапана в цілому. Дослідження функціональної анатомії дозволили визначити морфофункціональні межі аортального клапана, уточнити термінологію, а також значною мірою вивчити його функцію.

Завдяки цим дослідженням аортальний клапан у широкому сенсі почали розглядати як єдину анатомічну та функціональну структуру, пов'язану як з аортою, так і з лівим шлуночком.

Згідно з сучасними уявленнями, аортальний клапан являє собою об'ємну структуру лійкоподібної або циліндричної форми, що складається з трьох синусів, трьох міжстулкових трикутників Генле, трьох півмісяцевих стулок та фіброзного кільця, проксимальною та дистальною межами якого є відповідно шлуночково-аортальний та синотубулярний переходи.

Рідше використовується термін «клапанно-аортальний комплекс». У вузькому сенсі аортальний клапан іноді розуміють як запірний елемент, що складається з трьох стулок, трьох спайок та фіброзного кільця.

З точки зору загальної механіки, аортальний клапан розглядається як складена структура, що складається з міцного фіброзного (силового) каркаса та розміщених на ньому відносно тонких елементів оболонки (стінок синусів та стулок). Деформації та рухи цього каркаса відбуваються під дією внутрішніх сил, що виникають у прикріплених до нього оболонках. Каркас, у свою чергу, визначає деформації та рухи елементів оболонки. Каркас складається переважно з щільно упакованих колагенових волокон. Така конструкція аортального клапана визначає довговічність його функції.

Синуси Вальсальви – це розширена частина початкового відділу аорти, обмежена проксимально відповідним сегментом фіброзного кільця та стулкою, а дистально – синотубулярним переходом. Синуси називаються відповідно до коронарних артерій, від яких вони відходять: праві коронарні, ліві коронарні та некоронарні. Стінка синусів тонша за стінку аорти та складається лише з інтими та медії, дещо потовщених колагеновими волокнами. При цьому кількість еластинових волокон у стінці синусів зменшується, а колагенових волокон збільшується у напрямку від синотубулярного до вентрикулоаортального переходу. Щільні колагенові волокна розташовані переважно вздовж зовнішньої поверхні синусів і орієнтовані в окружному напрямку, а в субкомісуральному просторі беруть участь в утворенні міжстулкових трикутників, що підтримують форму клапана. Основна роль синусів полягає в перерозподілі напруги між стулками та синусами під час діастоли та встановленні рівноважного положення стулок під час систоли. Пазухи розділені на рівні їхньої основи міжбугорковими трикутниками.

Фіброзний каркас, що утворює аортальний клапан, являє собою єдину просторову структуру з міцних волокнистих елементів кореня аорти, фіброзного кільця основи стулок, спайкових стрижнів (стовпчиків) та синотубулярного переходу. Синотубулярний перехід (арочне кільце, або арочний гребінь) – це хвилеподібне анатомічне з'єднання між синусами та висхідною аортою.

Вентрикуло-аортальний перехід (кільце основи клапана) – це кругле анатомічне з’єднання між виходом лівого шлуночка та аортою, яке являє собою фіброзно-м’язову структуру. У зарубіжній хірургічній літературі вентрикуло-аортальний перехід часто називають «аортальним кільцем». Вентрикуло-аортальний перехід утворений, в середньому, 45-47% міокарда артеріального конуса лівого шлуночка.

Спайка – це лінія з'єднання (контакту) сусідніх стулок своїми периферичними проксимальними краями на внутрішній поверхні дистального сегмента кореня аорти, а її дистальний кінець розташований до синотубулярного переходу. Спайкові стрижні (колони) – це місця фіксації спайок на внутрішній поверхні кореня аорти. Спайкові стовпчики є дистальним продовженням трьох сегментів фіброзного кільця.

Міжстулкові трикутники Генле є фіброзними або фіброзно-м'язовими компонентами кореня аорти та розташовані проксимальніше спайок між сусідніми сегментами фіброзного кільця та їх відповідними стулками. Анатомічно міжстулкові трикутники є частиною аорти, але функціонально вони забезпечують шляхи відтоку з лівого шлуночка та залежать від шлуночкової, а не аортальної гемодинаміки. Міжстулкові трикутники відіграють важливу роль у біомеханічній функції клапана, дозволяючи синусам функціонувати відносно незалежно, об'єднуючи їх та підтримуючи однорідну геометрію кореня аорти. Якщо трикутники малі або асиметричні, розвивається вузьке фіброзне кільце або деформація клапана з подальшою дисфункцією стулок. Таку ситуацію можна спостерігати при двостулкових аортальних клапанах.

Стулка – це запірний елемент клапана, проксимальний край якого відходить від півмісяцевої частини фіброзного кільця, що являє собою щільну колагенову структуру. Стулка складається з тіла (основної навантаженої частини), поверхні коаптації (замикання) та основи. Вільні краї сусідніх стулок у закритому положенні утворюють зону коаптації, що простягається від спайок до центру стулки. Потовщена трикутна центральна частина зони коаптації стулки називається вузлом Аранці.

Стулка, що утворює аортальний клапан, складається з трьох шарів (аортального, шлуночкового та губчастого) і зовні покрита тонким ендотеліальним шаром. Шар, звернений до аорти (фіброзний), містить переважно колагенові волокна, орієнтовані в окружному напрямку у вигляді пучків і тяжів, і невелику кількість еластинових волокон. У зоні коаптації вільного краю стулки цей шар присутній у вигляді окремих пучків. Колагенові пучки в цій зоні «підвішені» між комісуральними стовпчиками під кутом приблизно 125° відносно стінки аорти. У тілі стулки ці пучки відходять під кутом приблизно 45° від фіброзного кільця у формі півеліпса і закінчуються на його протилежному боці. Така орієнтація «силових» пучків і країв стулки у формі «підвісного містка» призначена для передачі навантаження тиску під час діастоли від стулки до синусів і фіброзного каркасу, що утворює аортальний клапан.

У ненавантаженому клапані фіброзні пучки знаходяться в стиснутому стані у вигляді хвилястих ліній, розташованих у окружному напрямку на відстані приблизно 1 мм один від одного. Колагенові волокна, що утворюють пучки, також мають хвилясту структуру в розслабленому клапані з періодом хвилі близько 20 мкм. При прикладанні навантаження ці хвилі випрямляються, дозволяючи тканині розтягуватися. Повністю випрямлені волокна стають нерозтяжними. Складки колагенових пучків легко випрямляються при незначному навантаженні клапана. Ці пучки добре видно в навантаженому стані та в прохідному світлі.

Сталість геометричних пропорцій елементів кореня аорти досліджували за допомогою методу функціональної анатомії. Зокрема, було виявлено, що співвідношення діаметрів синотубулярного переходу та основи клапана є постійним і становить 0,8-0,9. Це справедливо для клапанно-аортальних комплексів осіб молодого та середнього віку.

З віком відбуваються якісні процеси порушення структури стінки аорти, що супроводжуються зниженням її еластичності та розвитком кальцифікації. Це призводить, з одного боку, до її поступового розширення, а з іншого – до зниження еластичності. Зміни геометричних пропорцій та зменшення розтяжності аортального клапана відбуваються у віці понад 50-60 років, що супроводжується зменшенням площі розкриття стулок та погіршенням функціональних характеристик клапана в цілому. Вікові анатомічні та функціональні особливості кореня аорти пацієнтів слід враховувати при імплантації безкаркасних біологічних замінників в аортальній позиції.

Порівняння будови такого утворення, як аортальний клапан людини та ссавців, було проведено наприкінці 1960-х років. Ці дослідження продемонстрували подібність низки анатомічних параметрів клапанів свині та людини, на відміну від інших ксеногенних коренів аорти. Зокрема, було показано, що некоронарний та лівий коронарний синуси клапана людини були, відповідно, найбільшими та найменшими. При цьому правий коронарний синус клапана свині був найбільшим, а некоронарний – найменшим. Водночас вперше були описані відмінності в анатомічній будові правого коронарного синуса клапанів аорти свині та людини. У зв'язку з розвитком реконструктивної пластичної хірургії та заміни аортального клапана біологічними безкаркасними замінниками, анатомічні дослідження аортального клапана були відновлені в останні роки.

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

Аортальний клапан людини та аортальний клапан свині

Було проведено порівняльне дослідження структури аортального клапана людини та аортального клапана свині як потенційного ксенотрансплантата. Було показано, що ксеногенні клапани мають відносно низький профіль та є асиметричними в більшості випадків (80%) через менший розмір їх некоронарного синуса. Помірна асиметрія аортального клапана людини зумовлена меншим розміром його лівого коронарного синуса та не так виражена.

Свинячий аортальний клапан, на відміну від людського, не має фіброзного кільця, а його синуси безпосередньо не межують з основою стулок. Свинячі стулки прикріплюються своєю півмісяцевою основою безпосередньо до основи клапана, оскільки справжнє фіброзне кільце відсутнє у свинячих клапанах. Основи ксеногенних синусів і стулок прикріплюються до фіброзної та/або фіброзно-м'язової частин основи клапана. Наприклад, основа некоронарної та лівої коронарної стулок свинячого клапана у вигляді розбіжних стулок (фіброзних та вентрикулярних) прикріплюється до фіброзної основи клапана. Іншими словами, стулки, що утворюють свинячий аортальний клапан, не прилягають безпосередньо до синусів, як в алогенних коренях аорти. Між ними розташована дистальна частина основи клапана, яка в поздовжньому напрямку (уздовж осі клапана) на рівні найпроксимальнішої точки лівого коронарного та некоронарного синусів дорівнює, в середньому, 4,6 ± 2,2 мм, а правого коронарного синуса - 8,1 ± 2,8 мм. Це важлива та суттєва відмінність свинячого клапана від клапана людини.

М'язове прикріплення аортального конуса лівого шлуночка вздовж осі в корені аорти свині набагато значніше, ніж в алогенному. У клапанах свині це прикріплення утворювало основу правої коронарної стулки та однойменної пазухи, а меншою мірою - основу сусідніх сегментів лівої коронарної та некоронарної стулок. В алогенних клапанах це прикріплення створює лише підтримку для основи, головним чином, правої коронарної пазухи та, меншою мірою, лівої коронарної пазухи.

Аналіз розмірів та геометричних пропорцій окремих елементів аортального клапана залежно від внутрішньоаортального тиску досить часто використовувався у функціональній анатомії. Для цього корінь аорти заповнювали різними тверднучими речовинами (гумою, парафіном, силіконовою гумою, пластмасами тощо), а його структурну стабілізацію проводили хімічно або кріогенно під різним тиском. Отримані зліпки або структуровані корені аорти досліджували за допомогою морфометричного методу. Такий підхід до вивчення аортального клапана дозволив встановити деякі закономірності його функціонування.

Експерименти in vitro та in vivo показали, що корінь аорти є динамічною структурою, і більшість її геометричних параметрів змінюються протягом серцевого циклу залежно від тиску в аорті та лівому шлуночку. Інші дослідження показали, що функція стулок значною мірою визначається еластичністю та розтяжністю кореня аорти. Вихровим рухам крові в синусах відводилася важлива роль у відкритті та закритті стулок.

Динаміку геометричних параметрів аортального клапана вивчали в експерименті на тваринах за допомогою високошвидкісної кінеангіографії, кінематографії та кінерентгенографії, а також у здорових осіб за допомогою кінеангіокардіографії. Ці дослідження дозволили досить точно оцінити динаміку багатьох елементів кореня аорти та лише попередньо оцінити динаміку форми та профілю клапана протягом серцевого циклу. Зокрема, було показано, що систоло-діастолічне розширення синотубулярного переходу становить 16-17% і тісно корелює з артеріальним тиском. Діаметр синотубулярного переходу досягає своїх максимальних значень на піку систолічного тиску в лівому шлуночку, тим самим сприяючи відкриттю клапанів за рахунок розбіжності спайок назовні, а потім зменшується після закриття клапанів. Діаметр синотубулярного переходу досягає своїх мінімальних значень в кінці ізоволюмічної фази розслаблення лівого шлуночка та починає збільшуватися в діастолу. Комісуральні колонки та синотубулярне з'єднання, завдяки своїй гнучкості, беруть участь у розподілі максимального напруження в стулках після їх закриття в період швидкого збільшення зворотного градієнта трансвальвулярного тиску. Також були розроблені математичні моделі для пояснення руху стулок під час їх відкривання та закривання. Однак дані математичного моделювання значною мірою не відповідали експериментальним даним.

Динаміка основи аортального клапана впливає на нормальну роботу стулок клапана або імплантованого безкаркасного біопротеза. Було показано, що периметр основи клапана (собака та вівця) досягав максимального значення на початку систоли, зменшувався під час систоли та був мінімальним в її кінці. Під час діастоли периметр клапана збільшувався. Основа аортального клапана також здатна до циклічних асиметричних змін своїх розмірів через скорочення м'язової частини шлуночково-аортального з'єднання (міжстулкові трикутники між правим та лівим коронарними синусами, а також основи лівого та правого коронарних синусів). Крім того, виявлено зсувні та торсійні деформації кореня аорти. Найбільші торсійні деформації відзначені в ділянці спайкового стовпа між некоронарним та лівим коронарним синусами, а мінімальні - між некоронарним та правим коронарним. Імплантація безкаркасного біопротеза з напівжорсткою основою може змінити податливість кореня аорти до торсійних деформацій, що призведе до передачі торсійних деформацій на синотубулярне з'єднання композитного кореня аорти та формування дисторсії стулок біопротеза.

Дослідження нормальної біомеханіки аортального клапана у молодих осіб (середній вік 21,6 року) було проведено за допомогою черезстравохідної ехокардіографії з подальшою комп'ютерною обробкою відеозображень (до 120 кадрів за секунду) та аналізом динаміки геометричних характеристик елементів аортального клапана залежно від часу та фаз серцевого циклу. Було показано, що під час систоли площа відкриття клапана, радіальний кут стулки до основи клапана, діаметр основи клапана та радіальна довжина стулки суттєво змінюються. Діаметр синотубулярного переходу, окружна довжина вільного краю стулки та висота синусів змінюються меншою мірою.

Таким чином, радіальна довжина стулки була максимальною в діастолічну фазу ізоволюмічного зниження внутрішньошлуночкового тиску та мінімальною в систолічну фазу зниженого викиду. Радіальне систоло-діастолічне розтягнення стулки становило в середньому 63,2±1,3%. Стулка була довшою в діастолу з високим діастолічним градієнтом і коротшою у фазу зниженого кровотоку, коли систолічний градієнт був близький до нуля. Окружне систоло-діастолічне розтягнення стулки та синотубулярного з'єднання становило відповідно 32,0±2,0% та 14,1±1,4%. Радіальний кут нахилу стулки до основи клапана змінювався в середньому від 22° в діастолу до 93° в систолу.

Систолічний рух стулок, що утворюють аортальний клапан, умовно поділяли на п'ять періодів:

1. підготовчий період відбувався у фазі ізоволюмічного підвищення внутрішньошлуночкового тиску; клапани випрямилися, дещо вкоротилися в радіальному напрямку, ширина зони коаптації зменшилася, кут збільшився в середньому з 22° до 60°;
2. період швидкого відкриття стулок тривав 20-25 мс; з початком вигнання крові біля основи стулок утворювалася хвиля інверсії, яка швидко поширювалася в радіальному напрямку до тіл стулок і далі до їх вільних країв;
3. пік відкриття клапана припадав на першу фазу максимального вигнання; у цей період вільні краї клапанів були максимально відігнуті до синусів, форма отвору клапана наближалася до кола, а в профіль клапан нагадував форму усіченого перевернутого конуса;
4. період відносно стабільного відкриття клапанів припадав на другу фазу максимального виштовхування, вільні краї клапанів випрямлялися вздовж осі потоку, клапан набував форми циліндра, і клапани поступово закривалися; до кінця цього періоду форма отвору клапана ставала трикутною;
5. період швидкого закриття клапана збігався з фазою зниженого викиду. Біля основи стулок формувалася хвиля реверсії, яка розтягувала скорочені стулки в радіальному напрямку, що призводило до їх закриття спочатку вздовж шлуночкового краю зони коаптації, а потім до повного закриття стулок.

Максимальні деформації елементів кореня аорти відбувалися в періоди швидкого відкриття та закриття клапана. При швидких змінах форми стулок, що утворюють аортальний клапан, у них можуть виникати високі напруження, що може призвести до дегенеративних змін у тканині.

Механізм відкриття та закриття клапана з формуванням відповідно хвилі інверсії та реверсії, а також збільшення радіального кута нахилу клапана до основи клапана у фазі ізоволюмічного підвищення тиску всередині шлуночка можна віднести до демпфуючих механізмів кореня аорти, що зменшують деформацію та напруження стулок клапана.