Влияние паттернов кальцификации створчатых аппаратов на биомеханику биопротезов митрального клапана сердца

Цель: на основе собственной коллекции эксплантированных биопротезов клапанов серд ца выявить типичные паттерны расположения кальция и оценить их влияние на биомеханику изделия.

Материалы и методы. В работе анализировали 33 створки биопротезов митральной позиции, которые были эксплантированы планово по причине развившейся структурной клапанной дегенерации. Основой для исследования стали МСКТ-изображения каждой отдельной створки, содержащие участки патологической кальцификации. Локализацию данных участков кальция определяли по проекциям сверху с использованием порогового значения 130 единиц рентгенологической плотности HU. Далее проводили кластеризацию всего набора данных по критерию количества пикселей, соответствующих кальцинированным. Были выделены три основных класса: отсутствие, слабая и выраженная кальцификация протеза. В соответствии с каждым вариантом формировали трехмерную компьютерную модель, биомеханику которой исследовали численно в серии экспериментов компьютерного моделирования методом конечных элементов. В расчет включали опорный каркас и три створки, на которые прилагали физиологические граничные условия, моделирующие давление в левом предсердии и желудочке. В исследовании оценивали максимальное главное напряжение и деформацию и эпюры их распределения.

Результаты. Отмечено незначительное снижение средних величин напряжения и деформации в «интактной» при кальцификации двух других створок: с 0,319 до 0,303 МПа и с 0,134 до 0,130 мм/мм. Увеличение доли кальция снижало пиковые значения этих показателей: с 2,884 до 2,117 МПа и с 0,384 до 0,333 мм/мм соответственно. Выявлено совпадение паттерна кальцификации с зонами напряжения, превышавшей на 40–50% среднее значение по створке. При солокализации кластеров слабой или выраженной кальцификации на одной или двух створках наблюдали качественное изменение характера смыкания – «захлест» минерализованных на «интактные».

Выводы. Полученные результаты указывают на взаимосвязь напряженно-деформированного состояния створок и расположения областей кальцификации. Увеличение объема кальция до 28% не оказывает существенного воздействия на средние напряжения и деформации, однако снижает их пиковые значения.

1. Бокерия ЛА, Милиевская ЕБ, Прянишников ВВ, Юрлов ИА. Сердечно-сосудистая хирургия – 2022. Болезни и врожденные аномалии системы кровообращения. М.: НМИЦ ССХ им. А.Н. Бакулева, 2023; 343.

2. Алекян БГ, Григорьян АМ, Стаферов АВ, Карапетян НГ. Рентгенэндоваскулярная диагностика и лечение заболеваний сердц а и сосудов в Российской Федерации – 2021 год. Эндоваскулярная хирургия. 2022; 9 (S): 1–254. doi: 10.24183/2409-4080-2022-9S.

3. Kostyunin AE, Yuzhalin AE, Rezvova MA, Ovcharenko EA, Glushkova TV, Kutikhin AG. Degeneration of bioprosthetic heart valves: Update 2020. J Am Heart Assoc. 2020; 9 (19): e018506. doi: 10.1161/JAHA.120.018506.

4. Кудрявцева ЮА, Насонова МВ, Акентьева ТН, Бураго АЮ, Журавлева ИЮ. Роль шовного материала в кальцификации кардиоваскулярных биопротезов. Комплексные проблемы сердечно-сосудистых заболеваний. 2013; (4): 22–27. doi: 10.17802/2306-1278-2013-4-22-27.

5. Kostyunin AE, Glushkova TV, Klyshnikov KY, Rezvova MA, Akentyeva TN, Onishchenko PS, Ovcharenko EA. Impact of cyclic loading on the resistance of epoxy-treated bovine pericardium modified with polyvinyl alcohol to calcification and proteolytic degradation. Complex Issues of Cardiovascular Diseases. 2024; 13 (3): 54–62. doi: 10.17802/2306-1278-2024-13-3-54-62.

6. Rodriguez-Gabella T, Voisine P, Puri R, Pibarot P, Rodés-Cabau J. Aortic Bioprosthetic Valve Durability: Incidence, Mechanisms, Predictors, and Management of Surgical and Transcatheter Valve Degeneration. J Am Coll Cardiol. 2017; 70 (8): 1013–1028. doi: 10.1016/j.jacc.2017.07.715.

7. Senage T, Paul A, Le Tourneau T, Fellah-Hebia I, Vadori M, Bashir S et al. The role of antibody responses against glycans in bioprosthetic heart valve calcification and deterioration. Nat Med. 2022; 28 (2): 283–294. doi: 10.1038/s41591-022-01682-w.

8. Wen S, Zhou Y, Yim WY, Wang S, Xu L, Shi J et al. Mechanisms and Drug Therapies of Bioprosthetic Heart Valve Calcification. Front Pharmacol. 2022; 13: 909801. doi: 10.3389/fphar.2022.909801.

9. Sinusas AJ. Evaluation of Bioprosthetic Valve Deterioration: Is Tissue Analysis Sufficient? JACC Basic Transl Sci. 2023; 8 (7): 881–883. doi: 10.1016/j.jacbts.2023.03.023.

10. Hamid MS, Sabbah HN, Stein PD. Vibrational analysis of bioprosthetic heart valve leaflets using numerical models: Effects of leaflet stiffening, calcification, and perforation. Circ Res. 1987; 61 (5): 687–694. doi: 10.1161/01. RES.61.5.687.

11. Claiborne TE, Sheriff J, Kuetting M, Steinseifer U, Slepian MJ, Bluestein D. In vitro evaluation of a novel hemodynamically optimized trileaflet polymeric prosthetic heart valve. J Biomech Eng. 2013; 135 (2): 021021. doi: 10.1115/1.4023235.

12. Claiborne TE, Xenos M, Sheriff J, Chiu WC, Soares J, Alemu Y et al. Toward optimization of a novel trileaflet polymeric prosthetic heart valve via device thrombogenicity emulation. ASAIO J. 2013; 59 (3): 275–283. doi: 10.1097/MAT.0b013e31828e4d80.

13. Xuan Y, Dvir D, Wang Z, Mizoguchi T, Ye J, Guccione JM et al. Stent and leaflet stresses in 26-mm, third-generation, balloon-expandable transcatheter aortic valve. J Thorac Cardiovasc Surg. 2019; 157 (2): 528–536. doi: 10.1016/j.jtcvs.2018.04.115.

14. Qin T, Caballero A, Mao W, Barrett B, Kamioka N, Lerakis S, Sun W. The role of stress concentration in calcified bicuspid aortic valve. J R Soc Interface. 2020; 17 (167): 20190893. doi: 10.1098/rsif.2019.0893.

15. Arzani A, Mofrad MRK. A strain-based finite element model for calcification progression in aortic valves. J Biomech. 2017; 65: 216–220. doi: 10.1016/j.jbiomech.2017.10.014.

16. Hou K, Tsujioka K, Yang C. Optimization of HU threshold for coronary artery calcium scans reconstructed at 0.5‐mm slice thickness using iterative reconstruction. J Appl Clin Med Phys. 2020; 21 (2): 111–120. doi: 10.1002/acm2.12806.

17. Czaja-Ziółkowska M, Wasilewski J, Gąsior M, Gło wacki J. An update on the coronary calcium score: a review for clinicians. Postepy Kardiol Interwencyjnej. 2022; 18 (3): 201–205. doi: 10.5114/aic.2022.121035.

18. ExxonMobil. ExxonMobilTM PP1014H1 Polypropylene Homopolymer. Datasheet. 2022. p. 2. Available from: https://exxonmobilchemical.ulprospector.com/datasheet.aspx.

19. Finotello A, Gorla R, Brambilla N, Bedogni F, Auricchio F, Morganti S. Finite element analysis of transcatheter aortic valve implantation: Insights on the modelling of self-expandable devices. J Mech Behav Biomed Mater. 2021; 123: 104772. doi: 10.1016/j.jmbbm.2021.104772.

20. Capelli C, Bosi GM, Cerri E, Nordmeyer J, Odenwald T, Bonhoeffer P et al. Patient-specific simulations of transcatheter aortic valve stent implantation. Med Biol Eng Comput. 2012; 50 (2): 183–192. doi: 10.1007/S11517012-0864-1.

21. Онищенко ПС, Клышников КЮ, Овчаренко ЕА. Оптимизация биологического протеза клапана серд ца «ЮниЛайн»: новые инструменты улучшения функции. Российский журнал биомеханики. 2024; 28 (1): 10–22. doi: 10.15593/RZhBiomeh/2024.1.01.

22. Park J-H, Marwick TH. Use and Limitations of E/e’ to Assess Left Ventricular Filling Pressure by Echocardiography. J Cardiovasc Ultrasound. 2011; 19 (4): 169– 173. doi: 10.4250/jcu.2011.19.4.169.

23. Онищенко ПС, Глушкова ТВ, Костюнин АЕ, Резвова МА, Акентьева ТН, Барбараш ЛС. Компьютерные модели биоматериалов, применяемых для изготовления створчатого аппарата протезов клапанов серд ца. Материаловедение. 2023; (7): 30–39. doi: 10.31044/1684-579X2023-0-7-30-39.

24. Rousseeuw PJ. Silhouettes: A graphical aid to the interpretation and validation of cluster analysis. Journal of Computational and Applied Mathematics. 1987; 20: 53–65. doi: 10.1016/0377-0427(87)90125-7.

25. Klyshnikov KY, Onischenko PS, Ovcharenko EA. Study of Biomechanics of the Heart Valve Leaflet Apparatus Using Numerical Simulation Method. Sovrem Tekhnologii Med. 2022; 14 (2): 6–14. doi: 10.17691/stm2022.14.2.01.

26. Pandya PK, Park MH, Zhu Y, Woo YJ. Biomechanical analysis of novel leaflet geometries for bioprosthetic valves. JTCVS Open. 2023; 14: 77–86. doi: 10.1016/j.xjon.2023.04.007.

27. Sacks MS, Mirnajafi A, Sun W, Schmidt P. Bioprosthetic heart valve heterograft biomaterials: structure, mechanical behavior and computational simulation. Expert Rev Med Devices. 2006; 3 (6): 817–834. doi: 10.1586/17434440.3.6.817.

28. Nestola MGC, Zulian P, Gaedke-Merzhäuser L, Krause R. Fully coupled dynamic simulations of bioprosthetic aortic valves based on an embedded strategy for fluid– structure interaction with contact. EP Europace. 2021; 23 (Suppl 1): i96–i104. doi: 10.1093/europace/euaa398.

29. Kim H, Lu J, Sacks MS, Chandran KB. Dynamic simulation of bioprosthetic heart valves using a stress resultant shell model. Ann Biomed Eng. 2008; 36 (2): 262–275. doi: 10.1007/S10439-007-9409-4.

30. Stanová V, Rieu R, Thollon L, Salaun E, Rodés-Cabau J, Côté N et al. Leaflet Mechanical Stress in Different Designs and Generations of Transcatheter Aortic Valves: An in Vitro Study. Struct Heart. 2024; 8 (2): 100262. doi: 10.1016/j.shj.2023.100262.

31. Stanová V, Godio Raboutet Y, Barragan P, Thollon L, Pibarot P, Rieu R. Leaflet stress quantification of porcine vs bovine surgical bioprostheses: an in vitro study. Comput Methods Biomech Biomed Engin. 2022; 25 (1): 40–51. doi: 10.1080/10255842.2021.1928092.

32. Elmariah S, Delaney JAC, Bluemke DA, Budoff MJ, O’Brien KD, Fuster V et al. Associations of LV Hypertrophy With Prevalent and Incident Valve Calcification. JACC Cardiovasc Imaging. 2012; 5 (8): 781–788. doi: 10.1016/j.jcmg.2011.12.025.

33. Fashanu OE, Upadhrasta S, Zhao D, Budoff MJ, Pandey A, Lima JAC, Michos ED. Effect of Progression of Valvular Calcification on Left Ventricular Structure and Frequency of Incident Heart Failure (from the Multiethnic Study of Atherosclerosis). Am J Cardiol. 2020; 134: 99–107. doi: 10.1016/j.amjcard.2020.08.017.

34. Li C, Tong Z, Yongheng W, Xiaoyu L, Hao G. Fluid– structure interaction simulation of pathological mitral valve dynamics in a coupled mitral valve-left ventricle model. Intelligent Medicine. 2023; 03 (02): 104–114. doi: 10.1016/j.imed.2022.06.005.

35. Pawade TA, Newby DE, Dweck MR. Calcification in Aortic Stenosis. J Am Coll Cardiol. 2015; 66 (5): 561– 577. doi: 10.1016/j.jacc.2015.05.066.

36. Barannyk O, Fraser R, Oshkai P. A correlation between long-term in vitro dynamic calcification and abnormal flow patterns past bioprosthetic heart valves. J Biol Phys. 2017; 43 (2): 279–296. doi: 10.1007/s10867-0179452-9.

37. Pibarot P, Dumesnil JG. Prosthetic heart valves: selection of the optimal prosthesis and long-term management. Circulation. 2009; 119 (7): 1034–1048. doi: 10.1161/CIRCULATIONAHA.108.778886.

38. Tsolaki E, Corso P, Zboray R, Avaro J, Appel C, Liebi M et al. Multiscale multimodal characterization and simulation of structural alterations in failed bioprosthetic heart valves. Acta Biomater. 2023; 169: 138–154. doi: 10.1016/j.actbio.2023.07.044.

39. Lee JH, Rygg AD, Kolahdouz EM, Rossi S, Retta SM, Duraiswamy N et al. Fluid–Structure Interaction Models of Bioprosthetic Heart Valve Dynamics in an Experimental Pulse Duplicator. Ann Biomed Eng. 2020; 48 (5): 1475–1490. doi: 10.1007/s10439-020-02466-4.

40. Liu W, Yang G. Progressive calcification of bioprosthetic mitral valve observed during pregnancy resulting from in vitro fertilization: a case report. BMC Cardiovasc Disord. 2024; 24 (1): 506. doi: 10.1186/s12872-02404180-8.