Biomechanical aspects of atherosclerosis

• Autorzy: Wasilewski J , Mirota K. , Kiljański T.

Warianty tytułu

PL

Biomechaniczne aspekty miażdżycy

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Pathogenesis of atherosclerosis is a complex multifactorial process of vascular wall injury. It is widely accepted that the local hemodynamic factors, in particular, disturbed flow and low/ oscillatory shear stress leads to the plaque development. We present a consistent concept of atherosclerosis aetiology, taking into consideration the four main components contributing in the atheroma formation: geometric, hemodynamic, hemorheological, and mechanical risk factors. Exemplary illustrative flow simulation results for formulated concept have been presented. It assumes the pulsatile non-Newtonian fluid flow and uses realistic coronary artery geometry based on medical imaging and segmentation.

PL

Przyczyna miażdżycy jest złożona i wieloczynnikowa. Uważa się, że czynniki hemodynamiczne, a w szczególności przepływy zaburzone, gdzie na ścianę naczynia działają małe i oscylacyjne naprężenia ścinające, odgrywają kluczową rolę w powstawaniu zmian. W artykule przedstawiono spójną koncepcję etiologii choroby, która uwzględnia cztery główne jej komponenty: parametr geometryczny, hemodynamiczny, hemoreologiczny i mechaniczny. Przytoczono przykłady symulacji jako ilustrację do sformułowanej koncepcji. Zakładają one pulsacyjny przepływ płynu nie-Newtonowskiego oraz stosują realistyczny model geometrii tętnicy wieńcowej bazujący na obrazowaniu i segmentacji naczyń.

Słowa kluczowe

EN

atherosclerosis pathogenesis; shear stress; computational fluid dynamics CFD

PL

patogeneza miażdżycy; naprężenia ścinające; numeryczna mechanika płynów

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej im. Tadeusza Kościuszki
• Czasopismo: Czasopismo Techniczne. Chemia
• Rocznik: 2013
• Tom: R. 110, z. 1-Ch
• Strony: 89--98
• Opis fizyczny: Bibliogr. 36 poz., tab., il.

Twórcy

autor

Wasilewski J

• Śląski Uniwersytet Medyczny, III Katedra i Kliniczny Oddział Kardiologii w Zabrzu, Śląskie Centrum Chorób Serca w Zabrzu

autor

Mirota K.

• Katedra Podstaw Budowy Maszyn, Wydział Budowy Maszyn i Informatyki, Akademia Techniczno-Humanistyczna w Bielsku-Białej

autor

Kiljański T.

• Katedra Inżynierii Chemicznej, Wydział Inżynierii Procesowej i Ochrony Środowiska, Politechnika Łódzka

Bibliografia

• [1] Wasilewski J., Kiljański T., Głowacki J., Miszalski-Jamka K., Znaczenie zaburzeń przepływu w utrzymaniu drożności pomostów wieńcowych, Kardiochirurgia i Torakochirurgia Polska, 2011, 8:117-120.
• [2] Kolozsvari R., Galajda Z., Ungvari T., Szabo G., Racz I., Szerafin T., Herzfeld I., Edes I., Peterffy A., Koszegi Z., Various clinical scenarios leading to development of the string sign of the internal thoracic artery after coronary bypass surgery: the role of competitive flow, a case series, J Cardiothorac Surg, 2012, 7:12.
• [3] Madaric J., Mistrik A., RiecanskyI., Vulev I., Pacak J., Verhamme K., de Bruyne B., Fridrich V., Bartunek J.I., Left internal mammary artery bypass dysfunction after revascularization of moderately narrowed coronary lesions. Colour-duplex ultrasound versus angiography study, Eur J Echocardiogr, 2008, 9:273-277.
• [4] Liu B., Tang D., Computer simulations of atherosclerotic plaque growth in coronary arteries, Mol Cell Biomech, 2010, 7:193-202.
• [5] Gibson C.M., Diaz L., Kandarpa K., Sacks F.M., Pasternak R.C., Sandor T., Feldman C., Stone P.H., Relation of vessel wall shear stress to atherosclerosis progression in human coronary arteries, Arteriosclerosis and Thrombosis, 1993, 13:310-315.
• [6] Sawchuk A.P., Unthank J.L., Dalsing M.C., Drag reducing polymers may decrease atherosclerosis by increasing shear in areas normally exposed to low shear stress, J Vasc Surg, 1999, 30:761-764.
• [7] Ertepinar H., Süzen B., Ozoran A., Ozoran Y., Ceylan S., Yeginoglu G., Uremek G., Effects of drag reducing polymer on atherosclerosis, Biorheology, 1999, 27:631-644.
• [8] Wasilewski J., Kiljański T., Biomechaniczna przyczyna miażdżycy, Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź 2011.
• [9] Wasilewski J., Kiljański T., Głowacki J., Geometryczny czynnik ryzyka i zaburzenia przepływu w procesie miażdżycowym, Kardiochirurgia i Torakochirurgia Polska, 2010, 7:325-330.
• [10] Wasilewski J., Miszalski-Jamka K., Głowacki J., Topografia zmian miażdżycowych w badaniu angio-TK tętnic wieńcowych, Kardiochirurgia i Torakochirurgia Polska, 2010, 7:458-461.
• [11] Caro C.G., Fitz-Gerald J.M., Schroter R.C., Atheroma and arterial wall shear: observation, correlation and proposal of a shear dependent mass transfer mechanism for atherogenesis, Proc Ro. Soc, London B, 1971, 177:9-159.
• [12] Gnasso A., Carallo C., Irace C., Spagnuolo V., de Novara G., Mattioli P.L., Pujia A., Association between intima-media thickness and wall shear stress in common carotid arteries in healthy male subjects, Circulation, 1996, 94:3257-3262.
• [13] Jiang Y., Kohara K., Hiwada K., Low wall shear stress contributes to atherosclerosis of the carotid artery in hypertensive patients, Hypertens Res, 1999, 2:203-207.
• [14] Wasilewski J., Kiljański T., Miszalski-Jamka K., Rola naprężeń ścinających i mechanotransdukcji w procesie miażdżycowym, Kardiologia Polska, 2011, 69:717-720.
• [15] García-Cardeña G., Comander J.I., Blackman B.R., Anderson K.R., Gimbrone M.A., Mechanosensitive endothelial gene expression profiles: scripts for the role of hemodynamics in atherogenesis?, Ann N Y Acad Sci, 2001, 947:1-6.
• [16] Cheng C., de Crom R., van Haperen R., Helderman F., Mousavi Gourabi B., van Damme L.C., Kirschbaum S.W., Slager C.J., van der Steen A.F., Krams R., The role of shear stress in atherosclerosis: Action through gene expression and inflammation?, Cell Biochem Biophys, 2004;41:279-294
• [17] Wasserman S.M., Topper J.N., Adaptation of the endothelium to fluid flow: in vitro analyses of gene expression and in vivo implications, Vasc Med, 2004, 9, 35-45.
• [18] Resnick N., Yahav H., Shay-Salit A., Shushy M., Schubert S., Zilberman L.C., Wofovitz E., Fluid shear stress and the vascular endothelium: for better and for worse, Prog Biophys Mol Biol, 2003, 81:177-199.
• [19] Won D., Zhu S.N., Chen M., Teichert A.M., Fish J.E., Matouk C.C., Bonert M., Ojha M., Marsden P.A., Cybulsky M.I., Relative reduction of endothelial nitric-oxide synthase expression and transcription in atherosclerosis-prone regions of the mouse aorta and in an in vitro model of disturbed flow, Am J Pathol, 2007, 171:1691-1704.
• [20] Chien S., Role of shear stress direction in endothelial mechanotransduction, Mol Cell Biomech, 2008, 5:1-8.
• [21] Cheng C., Tempel D., van Haperen R., van der Baan A., Grosveld F., Daemen M.J., Krams R., de Crom R., Atherosclerotic lesion size and vulnerability are determined by patterns of fluid shear stress, Circulation, 2006,113:2744-2745
• [22] Malek A.M, Alper S.L., Izumo S., Hemodynamic shear stress and its role in atherosclerosis, JAMA, 1999, 282:2035-2042.
• [23] Rikhtegar F., Knight J.A., Olgac U., Saur S.C., Poulikakos D., Marshall W. Jr, Cattin P.C., Alkadhi H., Kurtcuoglu V., Choosing the optimal wall shear parameter for the prediction of plaque location – A patient-specific computational study in human left coronary arteries, Atherosclerosis, 2012, 221:432-437.
• [24] Frauenfelder T., Boutsianis E., Schertler T., Husmann L., Leschka S., Poulikakos D., Marincek B., Alkadhi H., In-vivo flow simulation in coronary arteries based on computed tomography datasets: feasibility and initial results, Eur Radiol, 2007, 17:1291-1300.
• [25] Crusco F., Antoniella A., Papa V., Menzano R., Di Lazzaro D., Di Manici G., Ragni T., Giovagnoni A., Midterm follow-up of patients receiving radial artery as coronary artery bypass grafts using 16-detector-row CT coronary angiography, Radiol Med (Torino), 2007, 112:538-549.
• [26] Khot U.N., Friedman D.T., Pettersson G., Smedira N.G., Li J., Ellis S.G., Radial artery bypass grafts have an increased occurrence of angiographically severe stenosis and occlusion compared with left internal mammary arteries and saphenous vein grafts, Circulation, 2004, 109:2086-2091.
• [27] Hayward P.A., Buxton B.F., Contemporary coronary graft patency: 5-year observational data from a randomized trial of conduits, Ann Thorac Surg, 2007, 84:795-799.
• [28] Fujiwara T., Kajiya F., Kanazawa S., Matsuoka S., Wada Y., Hiramatsu O., Kagiyama M., Ogasawara Y., Tsujioka K., Katsumura T., Comparison of blood flow velocity waveforms in different coronary artery bypass grafts. Sequential saphenous vein grafts and internal mammary artery grafts, Circulation, 1988, 78:1210-1217.
• [29] Mejia J., Mongrain R., Bertrand O.F., Accurate prediction of wall shear stress in a stented artery: newtonian versus non-newtonian models, J Biomech Eng, 2011, 133:074501.
• [30] Liu B., Tang D., Influence of non-Newtonian properties of blood on the wall shear stress in human atherosclerotic right coronary arteries, Mol Cell Biomech, 2011, 8:73-90.
• [31] Wasilewski J., Poloński L., Znaczenie fibrynogenu i właściwości reologicznych krwi w miażdżycy i chorobie wieńcowej, Choroby Serca i Naczyń, 2010, 7:62-71.
• [32] Jax T.W., Peters A J., Plehn G., Schoebel F.C., Hemostatic risk factors in patients with coronary artery disease and type 2 diabetes – a two year follow-up of 243 patients, Cardiovasc Diabetol, 2009, 7,8:48.
• [33] Cecchi E., Liotta A.A., Gori A.M, Valente S., Giglioli C., Lazzer I.C., Sofi F., Gensini G.F., Abbate R., Mannini L., Relationship between blood viscosity and infarct size in patients with ST-segment elevation myocardial infarction undergoing primary percutaneous coronary intervention, Int J Cardiol, 2009, 134:189-194.
• [34] Junker R., Heinrich J., Ulbrich H., Schulte H., Schönfeld R., Köhler E., Assmann G., Relationship between plasma viscosity and the severity of coronary heart disease, Arterioscler Thromb Vasc Biol, 1998, 18:870-875.
• [35] Wasilewski J., Turczyński B., Słowińska L., Kowalik V., Osadnik T., Poloński L., Haemorheological factors and myocardial reperfusion in patients with ST-elevation myocardial infarction undergoing primary coronary intervention, Kardiol Pol, 2007, 65:778-785.
• [36] Wasilewski J., Podolecki T., Turczyński B., Kowalik V., Głowacki J., The relationship between plasma viscosity and the degree of coronary artery calcification in the multislice computed tomography, MEDIMOND-Monduzzi Editore International Proceedings Division, 2010.