Mgr inż. Marta Kozuń STRESZCZENIE ROZPRAWY DOKTORSKIEJ

Mgr inż. Marta Kozuń STRESZCZENIE ROZPRAWY DOKTORSKIEJ

Mgr inż. Marta Kozuń
STRESZCZENIE ROZPRAWY DOKTORSKIEJ
„Wpływ zmian miażdżycowych na właściwości mechaniczne i strukturalne
ścian naczyń krwionośnych”
W pracy podjęto temat związany z wyjaśnieniem mechanizmu rozwoju miażdżycy –
jednej z głównych chorób układu krwionośnego, która jest aktualnie określana mianem
choroby cywilizacyjnej. Miażdżyca zgodnie z definicją zaproponowaną w 1958 roku
określana jest jako „zmienna kombinacja ognisk w błonie wewnętrznej ściany naczynia
krwionośnego, składających się z lipidów, węglowodanów złożonych, składników krwi
oraz złogów fibryny i wapnia, rozprzestrzeniających się w kierunku dośrodkowym”. Zmiany
rozwijające się w ścianie naczynia krwionośnego wraz z rozwojem choroby miażdżycowej
zostały sklasyfikowane na podstawie badan histologicznych przez Stary’ego w VI stopniowej
skali, gdzie I stopień oznacza naczynia prawidłowe. Skala ta jest aktualnie jedyną istniejącą
klasyfikacją choroby miażdżycowej.
Celem pracy doktorskiej była identyfikacja i charakterystyka zmian zachodzących
w ścianie naczynia krwionośnego w rozwoju miażdżycy na podstawie analizy właściwości
mechanicznych i strukturalnych tkanek prawidłowych i w różnych etapach zaawansowania
schorzenia.
Realizacja
histopatologicznych
oraz
przedstawionego
badań
celu
właściwości
wymagała
przeprowadzenia
mechanicznych
na
poziomie
badan
pełnej
trójwarstwowej ściany naczynia krwionośnego, jej poszczególnych warstw oraz połączenia
pomiędzy nimi. Wszystkie etapy badań zostały przeprowadzone na materiale ludzkim (aorta
piersiowa).
W pierwszym etapie pracy przeprowadzono badania histopatologiczne, na podstawie
których
w
ścianach
naczyń
krwionośnych
zobrazowano
zmiany
miażdżycowe
charakterystyczne dla wszystkich etapów rozwoju miażdżycy. Na tej podstawie dokonano
podziału materiału badawczego na VI grup (każda z grup odpowiada stopniowi
zaawansowania choroby). Analizie poddano również zmiany jakościowe i ilościowe
głównych komponentów strukturalnych determinujących właściwości mechaniczne ściany
naczynia krwionośnego tj. włókien kolagenu oraz elastyny.
W kolejnym etapie pracy przeprowadzono badania właściwości mechanicznych ściany
naczynia krwionośnego, jej poszczególnych warstw jak również połączenia pomiędzy nimi.
Badania w zakresie ściany naczynia krwionośnego przeprowadzono zarówno w warunkach
obciążeń
statycznych,
jak
również
cyklicznych,
które
symulowały
pracę
serca
i oddziaływanie ciśnienia tętniczego krwi. Badania w warunkach obciążeń statycznych
przeprowadzono z zastosowaniem testu jednoosiowego rozciągania, na podstawie którego
wyznaczono w każdym z analizowanych przypadków nieliniowe charakterystyki naprężenieodkształcenie. Krzywe te dzielono na 3 zakresy: zakres niskich odkształceń, zakres
fizjologiczny, zakres wysokich odkształceń, a następnie wyznaczano wartości parametrów
mechanicznych tj. maksymalnego odkształcenia, wytrzymałości na rozciąganie oraz modułu
sprężystości wzdłużnej. Ostatni z parametrów wyznaczano zarówno w zakresie niskich jak
również wysokich odkształceń. Podział krzywej naprężenie-odkształcenie na wyżej
wymienione zakresy powiązano z kształtem i ułożeniem przestrzennym włókien kolagenu
i elastyny w ścianie naczynia krwionośnego dla tkanek prawidłowych i w różnych etapach
zaawansowania
miażdżycy.
W
badaniach
cyklicznych
również
zastosowano
test
jednoosiowego rozciągania. Wszystkie próbki obciążono sygnałem sinusoidalnie zmiennym
(częstotliwości 2 Hz) o przebiegu zbliżonym do sygnału fali tętna. Liczba cykli
obciążeniowych wynosiła 100000, co odpowiada pracy serca przez około 24 godziny.
W badaniach rejestrowano zmianę odkształcenia podczas działania obciążeń cyklicznych.
W każdym
z
analizowanych
przypadków
uzyskana
krzywa
charakteryzowała
się
nieliniowością i różna dynamiką zmian w zależności od liczby powtórzeń cykli
obciążeniowych. Na tej podstawie krzywą dzielono na dwa zakresy; zakres I (od początku
testu do cyklu nr 20000) i zakres II (od cyklu nr 200000 do końca testu). W celu określenia
dynamiki zmian odkształcenia w w/w zakresach, w każdym przypadku wyznaczano
procentową (względną) zmianę odkształcenia średniego (Δεsred) pomiędzy początkiem
i końcem zakresu. Na podstawie badań przeprowadzonych w warunkach obciążeń
statycznych i cyklicznych określono charakter zmian właściwości mechanicznych ściany
naczynia krwionośnego w rozwoju miażdżycy. Wykazano, że pierwsze cztery etapy rozwoju
choroby powodują obniżenie wytrzymałości na rozciąganie i maksymalnego odkształcenia
ściany naczynia krwionośnego przy jednoczesnym wzroście modułu sprężystości wzdłużnej.
W etapie V i VI tendencja tych zmian jest odwrotna. Wartości wytrzymałości na rozciąganie
i maksymalnego odkształcenia wzrastają, a modułu sprężystości wzdłużnej ulegają obniżeniu.
Zmiany parametrów mechanicznych zostały powiązane ze zmianami ilościowymi
i jakościowymi włókien kolagenu, występującymi w przebiegu choroby miażdżycowej.
Badania właściwości mechanicznych warstwy zewnętrznej, środkowej i wewnętrznej
przeprowadzono w warunkach obciążeń statycznych z zastosowaniem testu jednoosiowego
rozciągania. Na podstawie badań, podobnie jak w przypadku ściany naczynia krwionośnego
uzyskano charakterystyki naprężenie-odkształcenie i wyznaczono wartości parametrów
mechanicznych tj. maksymalnego odkształcenia, wytrzymałości na rozciąganie oraz modułu
sprężystości wzdłużnej, który wyznaczono dla zakresu wysokich odkształceń. Na podstawie
przeprowadzonych badan scharakteryzowano funkcję, którą każda z warstw pełni nie tylko
w naczyniu prawidłowym, ale przede wszystkim w naczyniach zmienionych miażdżycowo.
Ponadto scharakteryzowano wpływ miażdżycy na właściwości mechaniczne każdej z warstw.
Podobnie jak w przypadku ściany naczynia krwionośnego wykazano, że najniższymi
wartościami odkształcenia i wytrzymałości na rozciąganie charakteryzują się tkanki w IV
etapie rozwoju choroby. Zmiany parametrów mechanicznych zostały powiązane ze zmianami
strukturalnymi występującymi w przebiegu miażdżycy w obrębie każdej z warstw.
Na podstawie analiz przeprowadzonych w tej części pracy udowodniono, że zmiany
degeneracyjne i przebudowa strukturalna dotyczą nie tylko warstwy wewnętrznej,
jak sugerowała dotychczas literatura, ale przede wszystkim warstwy zewnętrznej i środkowej,
które są odpowiedzialne za zachowanie ściany naczynia podczas obciążeń mechanicznych.
Właściwości mechaniczne połączenia pomiędzy poszczególnymi warstwami zostały
wyznaczone z użyciem testu na oderwanie, na podstawie którego uzyskano charakterystyki
siła/szerokość próbki – przemieszczenie. Otrzymane krzywe dzielono na dwa etapy. Etap I,
odpowiadał liniowemu odcinkowi w/w krzywej i charakteryzował się duża dynamika zmiany
siły w stosunku do zmiany przemieszczenia i etap II podczas którego uzyskano lokalne
wzrosty i spadki wartości siły spowodowane rozrywaniem poszczególnych włókien kolagenu
i elastyny. Proces rozwarstwienia ściany aorty opisano za pomocą trzech parametrów
mechanicznych:
sztywności,
parametru
maksymalna
siła/szerokość
próbki,
energii
rozpraszanej podczas delaminacji. Na podstawie uzyskanych wyników opisano wpływ
miażdżycy na właściwości mechaniczne połączenia pomiędzy warstwą zewnętrzną,
a zespołem warstwa środkowa i wewnętrzna oraz pomiędzy zespołem warstwa zewnętrzna
i środkowa, a warstwą wewnętrzną. Wykazano, że pierwsze cztery etapy w rozwoju
miażdżycy powodują obniżenie średnich wartości parametrów mechanicznych, przy czym
najniższe wartości tych parametrów uzyskano w przypadku tkanek w IV etapie
zaawansowania choroby. W pracy udowodniono także, że połączenie pomiędzy zespołem
warstwa zewnętrzna i środkowa, a warstwa wewnętrzna jest bardziej podatne na delaminację.
Charakter zmian parametrów mechanicznych w tej części pracy, został powiązany ze
zmianami degeneracyjnymi, które rozwijają się w ścianie naczynia krwionośnego
w przebiegu miażdżycy.
W oparciu o wyniki badań właściwości strukturalnych i mechanicznych w pracy
doktorskiej scharakteryzowano zmiany zachodzące w ścianie naczynia krwionośnego
w przebiegu miażdżycy i na tej podstawie zaproponowano model rozwoju choroby.
Wykazano, że podczas pierwszych czterech etapów miażdżycy dochodzi zmian jakościowych
i ilościowych głównych komponentów strukturalnych tj. włókien kolagenu. W etapach tych
w ścianie naczynia krwionośnego formuje się także nieusieciowana czapeczka włóknista.
Zmiany te wpływają na właściwości mechaniczne ściany naczynia krwionośnego, prowadzą
do obniżenia wytrzymałości na rozciąganie, maksymalnego odkształcenia i energii przy
jednoczesnym wzroście modułu sprężystości wzdłużnej. Punktem przełomowym w rozwoju
choroby jest etap IV podczas którego naczynie krwionośne ulega osłabieniu i jest najbardziej
podatne na uszkodzenia i delaminację. Podczas dalszych etapów miażdżycy w ścianie
naczynia krwionośnego rozwijają się procesy naprawcze prowadzące do wzrostu zawartości
włókien kolagenu i zminimalizowania tym samym wpływu choroby miażdżycowej
na właściwości strukturalne i co się z tym wiąże na właściwości mechaniczne ściany naczynia
krwionośnego.