Phản ứng cơ học khác nhau và tổ chức vi cấu trúc giữa động mạch đùi và động mạch cảnh của loài động vật linh trưởng không phải người

Biomechanics and Modeling in Mechanobiology - Tập 13 - Trang 1041-1051 - 2014
Ruoya Wang1, Julia Raykin2, Haiyan Li3, Rudolph L. Gleason1,2,4, Luke P. Brewster3,4,5
1George W. Woodruff School of Mechanical Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, USA
2Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, USA
3Division of Vascular Surgery, Department of Surgery, Emory University School of Medicine, Atlanta, USA
4Parker H. Petit Institute of Bioengineering and Bioscience, Georgia Institute of Technology, Atlanta, USA
5Atlanta VA Medical Center, Surgical and Research Services, Atlanta, USA

Tóm tắt

Các vị trí giải phẫu và chức năng sinh lý độc đáo khiến cho các động mạch khác nhau có phản ứng cơ học và bệnh lý khác nhau. Tuy nhiên, các nguyên nhân cơ bản của những sự khác biệt cơ học này chưa được hiểu rõ. Mục tiêu của nghiên cứu này là trước tiên xác định các khác biệt cấu trúc trong hệ thống mạch máu động mạch có thể giải thích cho sự khác biệt cơ học giữa động mạch đùi và động mạch cảnh khỏe mạnh, và thứ hai là sử dụng những quan sát cấu trúc này để thực hiện một phân tích cấu thành dựa trên vi cấu trúc. Các động mạch đùi và động mạch cảnh đã được thử nghiệm dưới tải trọng trụ trục hai chiều và vi cấu trúc của chúng đã được định lượng bằng phương pháp kính hiển vi hai photon. Các động mạch đùi được phát hiện có độ đàn hồi kém hơn so với động mạch cảnh ở các tải trọng sinh lý, phù hợp với các nghiên cứu trước đây, mặc dù thành phần ngoại bào của collagen và elastin tương tự ( $$P> 0.05$$ ). Các động mạch đùi thể hiện sự phân tán vòng của các sợi collagen ít hơn đáng kể ( $$P< 0.05$$ ), bất chấp một hướng sắp xếp trung bình của sợi tương tự như các động mạch cảnh. Phân bố elastin xuyên thành, độ giãn trục in vivo, và các góc mở cũng được tìm thấy có sự khác biệt rõ rệt giữa các động mạch. Cuối cùng, chúng tôi đã mô hình hóa hành vi cơ học của các động mạch bằng một mô hình cấu thành sợi collagen phân tán dựa trên vi cấu trúc. Với phương pháp này, các tham số vật liệu của mô hình được giải quyết bằng việc sử dụng các quan sát vi cấu trúc thực nghiệm. Các phát hiện từ nghiên cứu này hỗ trợ vai trò quan trọng của việc tổ chức vi cấu trúc trong độ cứng của động mạch.

Từ khóa

#động mạch đùi #động mạch cảnh #phản ứng cơ học #vi cấu trúc #collagen #elastin

Tài liệu tham khảo

Armentano R, Megnien J, Simon A, Bellenfant F, Barra J, Levenson J (1995) Effects of hypertension on viscoelasticity of carotid and femoral arteries in humans. Hypertension 26:48–54 Beal S, Brewster L (2012) Femoral and carotid intima media thickness-two different measurements in two different arteries. J Surg Res 185(2):511–512 Benetos A, Laurent S, Hoeks A, Boutouyrie P, Safar M (1993) Arterial alterations with aging and high blood pressure. A noninvasive study of carotid and femoral arteries. Arterioscler Thromb Vasc Biol 13:90–97 Bergel D (1961) The static elastic properties of the arterial wall. J Physiol 156:445–457 Burton A (1954) Relation of structure to function of the tissues of the wall of blood vessels. Physiol Rev 34:619–642 Cardamone L, Valentin A, Eberth J, Humphrey J (2009) Origin of axial prestretch and residual stress in arteries. Biomech Model Mechanobiol 8:431–446 Carta L, Wagenseil J, Knutsen R, Mariko B, Faury G, Davis E, Starcher B, Mecham R, Ramirez F (2009) Discrete contributions of elastic fiber components to arterial development and mechanical compliance. Arterioscler Thromb Vasc Biol 29:2083–2089 Cheng J, Wagenseil J (2012) Extracellular matrix and the mechanics of large artery development. Biomech Model Mechanobiol 11:1169–1186 Chuong C, Fung Y (1986) On residual stresses in arteries. J Biomech Eng 108:189–192 Gasser TC, Ogden RW, Holzapfel GA (2006) Hyperelastic modelling of arterial layers with distributed collagen fibre orientations. J R Soc Interface 3:15–35 Gleason R, Gray S, Wilson E, Humphrey J (2004) A multiaxial computer-controlled organ culture and biomechanical device for mouse carotid arteries. J Biomech Eng 126:787–795 Greenwald S, Moore J Jr, Rachev A, Kane T, Meister J (1997) Experimental investigation of the distribution of residual strains in the artery wall. J Biomech Eng 119:438–444 Hayashi K, Handa H, Nagasawa S, Okumura A, Moritake K (1980) Stiffness and elastic behavior of human intracranial and extracranial arteries. J Biomech 13(175–179):181–184 Holzapfel G (2001) Biomechanics of soft tissue. Handb Mater Behav Models 3:1049–1063 Holzapfel G, Gasser T, Ogden R (2000) A new constitutive framework for arterial wall mechanics and a comparative study of material models. J Elast 61:1–48 Holzapfel GA, Ogden RW (2010) Constitutive modelling of arteries. Proc R Soc A 466:1551–1597 Humphrey J (2002) Cardiovascular solid mechanics: cells, tissues, and organs. Springer, New York Humphrey J (2008) Vascular adaptation and mechanical homeostasis at tissue, cellular, and sub-cellular levels. Cell Biochem Biophys 50:53–78 Humphrey J, Eberth J, Dye W, Gleason R (2009) Fundamental role of axial stress in compensatory adaptations by arteries. J Biomech 42:1–8 Intengan H, Schiffrin E (2000) Structure and mechanical properties of resistance arteries in hypertension role of adhesion molecules and extracellular matrix determinants. Hypertension 36:312–318 Jackson Z, Gotlieb A, Langille B (2002) Wall tissue remodeling regulates longitudinal tension in arteries. Circ Res 90:918–925 Kuhl E, Holzapfel G (2007) A continuum model for remodeling in living structures. J Mater Sci 42:8811–8823 Lockwood G, Ryan L, Gotlieb A, Lonn E, Hunt J, Liu P, Foster F (1992) In vitro high resolution intravascular imaging in muscular and elastic arteries. J Am Coll Cardiol 20:153–160 Matsumoto T, Hayashi K (1996) Stress and strain distribution in hypertensive and normotensive rat aorta considering residual strain. J Biomech Eng 118:62 Nishimura T, Ansell M (2002) Fast Fourier transform and filtered image analyses of fiber orientation in OSB. Wood Sci Technol 36:287–307 Rachev A, Hayashi K (1999) Theoretical study of the effects of vascular smooth muscle contraction on strain and stress distributions in arteries. Ann Biomed Eng 27:459–468 Raninen R, Kupari M, Hekali P (2002) Carotid and femoral artery stiffnessin Takayasu’s arteritis. Scand J Rheumatol 31:85–88 Roach M, Burton A (1957) The reason for the shape of the distensibility curves of arteries. Can J Biochem Physiol 35:681–690 Safar M, Levy B, Struijker-Boudier H (2003) Current perspectives on arterial stiffness and pulse pressure in hypertension and cardiovascular diseases. Circulation 107:2864–2869 Schulze-Bauer C, Morth C, Holzapfel G (2003) Passive biaxial mechanical response of aged human iliac arteries. J Biomech Eng 125: 395–406 Sommer G, Regitnig P, Koltringer L, Holzapfel G (2010) Biaxial mechanical properties of intact and layer-dissected human carotid arteries at physiological and supraphysiological loadings. Am J Phys Heart Circ Phys 298:H898–H912 Stemper B, Yoganandan N, Stineman M, Gennarelli T, Baisden J, Pintar F (2007) Mechanics of fresh, refrigerated, and frozen arterial tissue. J Surg Res 139:236–242 Timmins L, Wu Q, Yeh A, Moore J, Greenwald S (2010) Structural inhomogeneity and fiber orientation in the inner arterial media. Am J Physiol Heart Circ Physiol 298:H1537–H1545 Virues Delgadillo J, Delorme S, El-Ayoubi R, DiRaddo R, Hatzikirakos S (2010) Effect of freezing on the biaxial mechanical properties of arterial samples. J Biomed Sci Eng 3:645–652 Wagner H, Humphrey J (2011) Differential passive and active biaxial mechanical behaviors of muscular and elastic arteries: basilar versus common carotid. J Biomech Eng 133(5):051009.1–051009.10 Wan W, Dixon J, Gleason R (2012) Constitutive modeling of mouse carotid arteries using experimentally measured microstructural parameters. Biophys J 102:2916–2925 Wan W, Gleason R (2012) Dysfunction in elastic fiber formation in fibulin-5 null mice abrogates the evolution in mechanical response of carotid arteries during maturation. Am J Phys Heart Circ Phys 304:H674–H686 Weizsäcker H, Lambert H, Pascale K (1983) Analysis of the passive mechanical properties of rat carotid arteries. J Biomech 16:703–715 Wolinsky H, Glagov S (1967) A lamellar unit of aortic medial structure and function in mammals. Circ Res 20:99–111 Zaucha M, Raykin J, Wan W, Gauvin R, Auger F, Germain L, Michaels T, Gleason R Jr (2009) A novel cylindrical biaxial computer-controlled bioreactor and biomechanical testing device for vascular tissue engineering. Tissue Eng Part A 15:3331–3340 Zieman S, Melenovsky V, Kass D (2005) Mechanisms, pathophysiology, and therapy of arterial stiffness. Arterioscler Thromb Vasc Biol 25:932–943