第一节　冠状动脉分叉区域的血流动力学

冠状动脉粥样硬化狭窄的危险因素包括吸烟、高血压、糖尿病、高脂血症等,但这些危险因素都不能直接解释为何冠状动脉分叉和弯曲处更易形成斑块。自1969年Caro等首次发现血流剪切力影响动脉粥样硬化形成以来,血管壁面的局部血流动力学,尤其是低壁面剪切力(wall shear stress,WSS)在冠脉分叉病变中的关键作用已经得到共识。

一、冠状动脉的应力特点

冠状动脉血管壁主要受3种应力作用。①径向应力(血压):充盈血液对单位面积血管壁的正向压力;②周向应力(环形张力):充盈血流反复搏动使血管扩张而产生的张力;③剪切应力:血液流动时对内皮细胞产生的沿轴向的张力,即血流对血管内壁产生的摩擦力。其中,剪切应力是影响血管壁内皮细胞形态、结构和功能最重要的血流动力学因素。

研究显示,用平行平板流动腔体外培养内皮细胞时,在12dyn/cm2高剪切应力作用下内皮细胞呈长梭形,细胞长轴沿切应力方向排列;而内皮细胞在2dyn/cm2低剪切应力作用下,已定向的内皮细胞就会发生重排,排列方向逐渐紊乱。Chatzizisis等也发现,直管状动脉内皮细胞呈椭圆形,并以同轴的形式沿血流方向排列;而在分叉部位和弯曲处,内皮细胞多趋向呈多角形,并缺乏特定的排列方向。

二、冠状动脉分叉部位的血流特点

冠状动脉分叉处的主支与分支之间存在一定角度,该几何结构对局部血流动力学会产生一定影响,易使此处的血液流动由稳定层流变为湍流、涡流,存在血流振荡甚至停滞现象。计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)作为评估WSS强有力的工具,对血流动力学的研究能够在传统实验技术难以取得的细节水平上进行,通过CFD的计算可以对支架植入前后的血流动力学构成进行量化研究。CFD研究过程主要包括血管模型创建;规定流变学特性,如血液密度、黏度;规定所研究血管入口和出口的血流动力学状态(边界条件)等。

Soulis等利用正常人冠状动脉造影数据建立左冠状动脉模型,CFD分析后发现,在分叉病变中,位于与分叉嵴相对区域的壁压力梯度较低,有利于动脉粥样硬化的发展。进一步对正常人左主干分叉计算机模型中WSS的振荡研究发现,相较于侧壁,分叉嵴的WSS更高。这种表现贯穿于整个心动周期,相较于舒张期,收缩期整个分叉区域的WSS和振荡较低,且在侧壁尤为显著,表明分叉的侧壁更容易发生动脉粥样硬化病变,而收缩期更有利于动脉粥样硬化的发展。

三、血流分布对分叉区域斑块形成的影响

当分支血管的血流分流超过10%时,将会对主支的血流状态产生重要影响。由于有较多的流体被迫改变方向转向分支,主支内出现涡流。这种流动分离的现象导致主干和分支的外侧壁形成低WSS区,内皮细胞的力学环境发生改变。

低WSS可诱导血管壁发生补偿性外向型重构,这对斑块进展时保持管腔面积具有积极作用;但当外向型重构过度时,易使此处的血液流动由稳定层流变为湍流、涡流,引起血流振荡甚至停滞现象,这将促使脂质持续不断地汇集至血管壁,血液中的微粒(如低密度脂蛋白)与管腔表面接触时间延长,利于脂质沉积和血小板积聚,从而损伤血管内膜,形成冠状动脉狭窄,导致易损斑块形成和潜在急性冠状动脉综合征(acute coronary syndrome,ACS)的发生。研究显示,生理性WSS的机械力可被内皮细胞上的感受器转换为生物化学信号,抑制血栓组织因子活性,通过抑制核转录因子-κB(NF-κB)信号通路激活内皮细胞的抗炎作用,抑制动脉粥样硬化形成;而低振荡WSS可通过诱导NF-κB转录,抑制内皮的抗凋亡、抗增殖和抗氧化功能,抑制循环单核细胞聚集,诱导促炎介质合成,促进动脉粥样硬化形成。

主支血流流向分支的百分比是这种流体现象的决定性因素。临床上常见分支病变多位于前降支-回旋支分叉处、回旋支-钝缘支分叉处,这些部位的解剖结构是主分支直径大小相似,分支流量远远超过主支血管流量的10%,因而易形成斑块。Gijsen等利用联合血管内超声及冠状动脉造影的方法,对分叉病变患者进行三维模型重建并进行CFD分析,发现分叉不同区域的WSS、管壁厚度及重构显著不同。Toggweiler等利用血管内超声及虚拟组织学方法,研究了236例患者(69%为男性)分叉区域的斑块形态和构成,发现分叉对侧血管壁的斑块负荷比同侧血管壁要高,且钙化程度更高。Giannoglou等也发现,动脉粥样硬化多发生在主支及边支的侧壁,在分叉嵴处并不常见。

但是,分叉嵴也并非不发生动脉粥样硬化。分叉嵴动脉粥样硬化约占分叉病例的三分之一,但单纯分叉嵴动脉粥样硬化病变极为少见。分叉嵴病变似乎是动脉粥样硬化发展的晚期阶段。van der Giessen等根据WSS水平的不同将分叉区域分为四个部分,WSS最低的区域在分叉血管外壁,WSS最高的区域在分叉嵴处;在仅有1或2个部分存在动脉粥样硬化斑块的分叉病变中,发现94%的斑块在WSS较低的第一部分和(或)第二部分;而在分叉嵴处存在斑块的病例中,93%在WSS较低的第一部分和(或)第二部分同样存在斑块,未发现斑块单独存在于分叉嵴的情况。这些研究证明,分叉区域的斑块是从低WSS区域(外侧壁)向高WSS区域(分叉嵴)扩展的结果,斑块容易发生在低WSS的部位,高WSS区域的斑块总是伴随低WSS区域斑块的存在而存在。

四、分叉角度对分叉区域斑块形成的影响

冠状动脉分叉角度越大,分叉部位血管内外侧壁的WSS差也越大。即不改变分支动脉流量大小,只增大分叉角度能使外侧壁的WSS变得更低。Ding等对15例患者的23处分叉区域分析后发现,分叉角度可以影响局部血流动力学环境,且分叉角度与内膜的最大厚度呈正相关,大的分叉角度可能会促进内膜增厚,导致脂质沉积和动脉粥样硬化的发生。

分叉处的流体形式十分复杂,包括与早期内膜增厚同时发生的涡流形成和低振荡WSS区域形成。分叉几何学(尤其是分支的成角)在这些病理状态下非常重要。Dzavik等对133例冠状动脉分叉病变进行Crush术后患者的分叉角度研究发现,分叉角度>50°是分叉病变Crush术后主要不良心血管事件(major adverse cardiac events,MACE)的独立预测因子。Adriaenssens等研究了132例接受Culotte技术处理患者的134处分叉病变,再狭窄的预测因子为分叉病变的分型(Medina分型)、是否进行最终球囊对吻扩张以及分叉角度;经过6～8个月的随访,发现远端角度>52°具有更高的再狭窄风险。Gil等对单支架简单处理的52例患者的57处分叉病变研究发现,主支轴向与边支的夹角是边支狭窄的独立预测因子,边支直径狭窄的百分比与Cosα呈高度正相关,并得出公式:MLD=ds×(1-Cosα);其中MLD为最小管腔直径,ds为边支直径,α为主支轴向与边支的夹角。Chen等建立了主支和边支不同分叉角度的理想化冠状动脉计算机模型,运用CFD方法分析模拟单支架植入对WSS的影响后发现,更小的分叉角度会对单支架植入后的效果产生不利影响。