Αθηροσκλήρωση: Η δυναμική των υγρών παίζει βασικό ρόλο στην πρόβλεψη καρδιαγγειακών κινδύνων

Εάν τα εικονικά ευρήματα της Wild μεταφραστούν κλινικά, οι ασθενείς θα μπορούσαν να υποβληθούν σε μη επεμβατικό έλεγχο για κίνδυνο αθηροσκλήρωσης σε κλινικό περιβάλλον, μετρώντας τις διαβαθμίσεις πίεσης στην καρωτίδα τους.

Αθηροσκλήρωση: Μια αρτηριακή φλεγμονώδης νόσος που ονομάζεται αθηροσκλήρωση είναι η κύρια αιτία θανάτου στις Ηνωμένες Πολιτείες, αλλά περίπου οι μισοί Αμερικανοί ενήλικες άνω των 45 έχουν την πάθηση και δεν το γνωρίζουν, σύμφωνα με τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας. Χαρακτηρίζεται από τη συσσώρευση πλάκας μέσα στις αρτηρίες, τις αγγειακές οδούς που ωθούν το αίμα από την καρδιά στο υπόλοιπο σώμα, η κατάσταση συχνά παραβλέπεται μέχρι να γίνει σοβαρή. Μια πολλά υποσχόμενη λύση μπορεί να βρίσκεται σε έναν τομέα που φαίνεται στο μάτι ενός απλού ανθρώπου, άσχετος: η Μηχανολογία.

Η Nora Caroline Wild, μεταπτυχιακή φοιτήτρια στο Πανεπιστήμιο George Washington στη Σχολή Μηχανικών και Εφαρμοσμένων Επιστημών, χρησιμοποιεί τη δυναμική του καρδιαγγειακού υγρού για να διερευνήσει πιθανούς ανατομικούς παράγοντες που θα μπορούσαν να προειδοποιήσουν έγκαιρα τους ασθενείς σε κίνδυνο. «Από τη στιγμή που ένας ασθενής έχει συμπτώματα, αυτό σημαίνει ότι έχει ήδη αθηροσκλήρωση η οποία είναι συνήθως αρκετά σοβαρή», είπε η Wild, υποψήφια διδάκτορας μηχανολογίας και αεροδιαστημικής μηχανικής στο Εργαστήριο Biofluid Dynamics του Προέδρου του Τμήματος Michael Plesniak. “Έτσι, εξετάζω τι είδους προϋπάρχοντα χαρακτηριστικά θα μπορούσαν να προκαλέσουν τη ροή του αίματος κάποιου να έχει ανθυγιεινό αντίκτυπο στον ιστό των αγγείων. Θα μπορούσαμε να δούμε τη γεωμετρία των αιμοφόρων αγγείων ενός ασθενούς – τη γωνία διακλάδωσης, τη διάμετρό τους – να ταξινομήσουμε στατιστικά έναν ασθενή ως υψηλότερο ή χαμηλότερο κίνδυνο;». Η πλάκα αποτελείται από χοληστερόλη, κυτταρικά απόβλητα και άλλες λιπαρές ουσίες, οι οποίες μπορούν να συσσωρευτούν στα αγγειακά τοιχώματα καθώς μεταφέρονται μέσω του αίματος. Όμως τα υγιή ενδοθηλιακά κύτταρα, τα οποία επενδύουν τα τοιχώματα των αιμοφόρων αγγείων, εμποδίζουν τη συσσώρευση πλάκας μέσω μιας βιοχημικής απόκρισης στη ροή του αίματος με την οποία βρίσκονται σε συνεχή επαφή. Κάτω από ιδανικές συνθήκες υγείας, η δύναμη της ροής του αίματος δημιουργεί μικροσκοπικές δίνες σε σχήμα δίνης που ασκούν μια δύναμη τριβής η οποία ονομάζεται διατμητική τάση στο αρτηριακό τοίχωμα. Το διατμητικό στρες διεγείρει τα ενδοθηλιακά κύτταρα, αποτρέποντας τη συσσώρευση πλάκας πριν γίνει επικίνδυνη. Αλλά για ορισμένους ασθενείς, όπως διαπίστωσε η Wild, η διατμητική τάση επηρεάζεται από την αρτηριακή γεωμετρία. Σκεφτείτε έναν εύκαμπτο σωλήνα που ψεκάζει νερό σε μια ράμπα: Εάν η ράμπα καταλήγει σε μια ήπια κλίση πίσω στο έδαφος, το νερό θα ρέει ομοιόμορφα μέχρι την κορυφή και μέχρι το γρασίδι στη βάση της. Αλλά αν η ράμπα τελειώσει με μια απότομη πτώση 90 μοιρών, το νερό υπό πίεση θα κυλήσει πάνω από το γρασίδι στη βάση του, βρέχοντάς το μετά βίας. Εάν ο εύκαμπτος σωλήνας, η ράμπα και το γρασίδι ήταν όλα υποβρύχια, θα σχηματίζονταν δίνες καθώς η υπό πίεση ροή ωθούσε προς τα εμπρός, ασκώντας διατμητική τάση στο γρασίδι κάτω από την ήπια κλίση, αλλά ελάχιστη ή καθόλου στο γρασίδι κάτω από την πιο έντονη πτώση. Η κοινή καρωτιδική αρτηρία, η οποία είναι το κρίσιμο αγγείο που μεταφέρει αίμα στο πρόσωπο και τον εγκέφαλο, διακλαδίζεται με ανάλογο τρόπο στις εσωτερικές και εξωτερικές καρωτίδες σε ένα σημείο στον λαιμό που είναι γνωστό ότι είναι ευάλωτο στη συσσώρευση πλάκας. Χρησιμοποιώντας κλινικά δεδομένα κατά μέσον όρο ασθενών, η Wild δημιούργησε δύο μοντέλα αυτής της περιοχής διακλάδωσης της καρωτίδας. Το πρώτο μοντέλο, βασισμένο σε δεδομένα από έναν υγιή πληθυσμό, είχε μια συμμετρική γωνία διακλάδωσης 60 μοιρών – μια ράμπα με ήπια κλίση πάνω από την οποία το αίμα ρέει ομοιόμορφα, δημιουργώντας αποτελεσματικές, διαρκείς δίνες. Το δεύτερο μοντέλο, βασισμένο σε ανατομικά χαρακτηριστικά ασθενών με αυξημένο κίνδυνο αθηροσκλήρωσης, διχάζει ασύμμετρα και σε μεγαλύτερη γωνία. Εκτελώντας προσομοιώσεις της ροής του αίματος μέσω αυτού του δεύτερου μοντέλου, η Wild διαπίστωσε ότι οι κρίσιμες δίνες επιδεινώθηκαν με ταχύτερο ρυθμό. Όχι μόνον ωθήθηκαν πέρα από την ευάλωτη διασταύρωση από την απότομη γωνία διακλάδωσης, αλλά δεν κράτησαν αρκετά για να στροβιλιστούν αποτελεσματικά πίσω. Ανέγγιχτα από την απαραίτητη διατμητική τάση, τα τοιχώματα αυτών των αγγείων ήταν πιο πιθανό να διατηρούν τη συσσώρευση πλάκας.

Σε αυτές τις υψηλού κινδύνου διασταυρώσεις των καρωτίδων, η ροή του αίματος λειτουργεί “κάπως σαν ένα καλοκαίρι του DC”, αστειεύτηκε η Wild: Θέλετε ένα “ωραίο αεράκι” για να μην πνιγείτε στον ιδρώτα, αλλά αντ’ αυτού καταπιέζεστε από ακίνητο αέρα. Εάν τα εικονικά ευρήματα της Wild μεταφραστούν κλινικά, οι ασθενείς θα μπορούσαν να υποβληθούν σε μη επεμβατικό έλεγχο για κίνδυνο αθηροσκλήρωσης σε κλινικό περιβάλλον, μετρώντας τις διαβαθμίσεις πίεσης στην καρωτίδα τους. (Η λήψη διαβαθμίσεων πίεσης στις αρτηρίες είναι δυνατή σε κλινικό περιβάλλον με αισθητήρες και νέες μεθόδους που βασίζονται στην απεικόνιση, είπε η Wild.) Οι ασθενείς των οποίων η αγγειακή γεωμετρία υποδηλώνει αυξημένο κίνδυνο θα μπορούσαν να τροποποιήσουν τη συμπεριφορά τους ανάλογα, συμπεριλαμβανομένης της δημιουργίας ενός πιο ενεργού σχεδίου φροντίδας. «Στο μέλλον, πιστεύω ότι αυτή η έρευνα θα βοηθήσει στη θεραπεία της αθηροσκλήρωσης προτού οι ασθενείς εμφανίσουν σοβαρά συμπτώματα», είπε η Wild. «Είμαστε ενθουσιασμένοι με αυτά τα ευρήματα γιατί αυξάνουν την κατανόησή του γιατί ορισμένοι άνθρωποι είναι πιο επιρρεπείς στο σχηματισμό πλάκας και έτσι βοηθούν στον εντοπισμό κλινικών παραμέτρων για βελτιωμένη κλινική έγκαιρη ανίχνευση».

Τι είναι η αθηροσκλήρωση και πώς αντιμετωπίζεται;

Πώς το άγχος επηρεάζει την υγεία της καρδιάς;

Πώς τα άτομα με καρδιακές παθήσεις αθλούνται;