Reducerer risikoen for blodpropper i kunstige hjerteklapper

De fleste kender turbulens i luftfarten:visse vindforhold forårsager en ujævn passagerflyvning. Men selv i menneskelige blodkar, blodgennemstrømningen kan være turbulent. Turbulens kan forekomme, når blod strømmer langs karbøjninger eller kanter, forårsager en pludselig ændring i strømningshastighed. Turbulent blodgennemstrømning genererer ekstra kræfter, som øger risikoen for, at der dannes blodpropper. Disse blodpropper vokser langsomt, indtil de kan blive båret med i blodbanen og forårsage slagtilfælde ved at blokere en arterie i hjernen.

Mekaniske hjerteklapper producerer turbulente blodstrømme

Patienter med kunstige hjerteklapper har en højere risiko for koageldannelse. Den forhøjede risiko kendes fra observation af patienter efter implantation af en kunstig klap. Koagulationsrisikofaktoren er særlig alvorlig for modtagere af mekaniske hjerteklapper, hvor patienterne skal have blodfortyndende medicin hver dag for at bekæmpe risikoen for slagtilfælde. Indtil nu, det er uklart, hvorfor mekaniske hjerteklapper fremmer koageldannelse langt mere end andre klaptyper, f.eks. biologiske hjerteklapper.

Et team af ingeniører fra Cardiovascular Engineering Group ved ARTORG Center for Biomedical Engineering Research ved Universitetet i Bern har nu med succes identificeret en mekanisme, der kan bidrage væsentligt til koageldannelse. De brugte komplekse matematiske metoder inden for hydrodynamisk stabilitetsteori, et underområde af fluidmekanik, som har været brugt med succes i mange årtier til at udvikle brændstofeffektive fly. Dette er den første oversættelse af disse metoder, som kombinerer fysik og anvendt matematik, til medicin.

Brug af komplekse computersimuleringer på flagskibssupercomputere på Centro Svizzero di Calcolo Scientifico i Lugano, forskerholdet var i stand til at vise, at den nuværende form af de flowregulerende klapper i hjerteklappen fører til stærk turbulens i blodgennemstrømningen. "Ved at navigere gennem simuleringsdataene, vi fandt, hvordan blodet støder på forkanten af ​​ventilklapperne, og hvordan blodgennemstrømningen hurtigt bliver ustabil og danner turbulente hvirvler, " forklarer Hadi Zolfaghari, første forfatter til undersøgelsen. "De stærke kræfter, der genereres i denne proces, kunne aktivere blodkoagulationen og få blodpropper til at danne sig umiddelbart bag ventilen. Supercomputere hjalp os med at fange en grundlæggende årsag til turbulens i disse ventiler, og hydrodynamisk stabilitetsteori hjalp os med at finde en teknisk løsning til det."

De mekaniske hjerteklapper, der blev brugt i undersøgelsen, består af en metalring og to flige, der roterer på hængsler; klapperne åbner og lukker i hvert hjerteslag for at tillade blod at strømme ud af hjertet, men ikke tilbage igen. I undersøgelsen, teamet undersøgte også, hvordan hjerteklappen kunne forbedres. Det viste, at selv et let modificeret design af ventilklapperne tillod blodet at flyde uden at generere ustabilitet, der førte til turbulens - mere som et sundt hjerte. En sådan blodgennemstrømning uden turbulens ville reducere risikoen for koageldannelse og slagtilfælde markant.

Livet uden blodfortyndende?

Mere end 100, 000 mennesker om året får en mekanisk hjerteklap. På grund af den høje risiko for koagulering, alle disse mennesker skal tage blodfortyndere, hver dag, og resten af ​​deres liv. Hvis hjerteklappernes udformning forbedres ud fra et væskemekanisk synspunkt, det er tænkeligt, at modtagere af disse ventiler ikke længere har brug for blodfortyndende medicin. Dette kan føre til et normalt liv - uden den varige byrde ved at modtage blodfortyndende medicin. "Designet af mekaniske hjerteklapper er næsten ikke blevet tilpasset siden deres udvikling i 1970'erne, " siger Dominik Obrist, leder af forskningsgruppen på ARTORG Centeret. "Derimod en masse forskning og udvikling er blevet udført inden for andre ingeniørområder, såsom flydesign. I betragtning af hvor mange mennesker der har en kunstig hjerteklap, det er på tide at tale om designoptimeringer også på dette område for at give disse mennesker et bedre liv."

Forskningsgruppen Cardiovascular Engineering

ARTORGs Cardiovascular Engineering (CVE) gruppe studerer kardiovaskulære flows og sygdomme, såsom hjerteklapsygdomme og hjerteanfald. Dens forskning sigter mod at forbedre den langsigtede holdbarhed og biokompatibilitet af terapeutiske anordninger og implantater og at udvikle nye diagnostiske værktøjer til klinisk praksis. CVE -translationelle forskningsprojekter adresserer umiddelbare kliniske behov, der blev identificeret sammen med kliniske partnere inden for angiologi, Kardiologi og kardiovaskulær kirurgi på Inselspital, som er tæt integreret i projektteamene fra start til slut. Holdet driver et eksperimentelt flow-laboratorium med moderne måleteknologi og et beregningslaboratorium til at modellere flows i hjertet og blodkarrene. Dets eksperimentelle faciliteter omfatter højhastighedskameraer og laserbaserede metoder til tredimensionel flowkvantificering. Gruppen udvikler og bruger skræddersyede computermodeller og supercomputere til at studere biomedicinske flowsystemer med væske-struktur interaktion.