Valvola aortica

La valvola aortica è considerata la più studiata, essendo stata descritta molto tempo fa, a partire da Leonardo da Vinci (1513) e Valsalva (1740), e ripetutamente, soprattutto durante la seconda metà del XX secolo. Allo stesso tempo, gli studi degli anni passati erano principalmente di natura descrittiva o, meno spesso, comparativa. A partire dal lavoro di J. Zimmerman (1969), in cui l'autore proponeva di considerare "la funzione valvolare come una continuazione della sua struttura", la maggior parte degli studi ha iniziato ad essere di natura morfofunzionale. Questo approccio allo studio della funzione della valvola aortica attraverso lo studio della sua struttura era, in una certa misura, dovuto alle difficoltà metodologiche dello studio diretto della biomeccanica della valvola aortica nel suo complesso. Gli studi di anatomia funzionale hanno permesso di determinare i confini morfofunzionali della valvola aortica, chiarire la terminologia e anche studiarne ampiamente la funzione.

Grazie a questi studi si è iniziato a considerare la valvola aortica in senso lato come un'unica struttura anatomica e funzionale correlata sia all'aorta che al ventricolo sinistro.

Secondo i concetti moderni, la valvola aortica è una struttura volumetrica di forma imbutiforme o cilindrica, costituita da tre seni, tre triangoli intercuspidali di Henle, tre cuspidi semilunari e un anello fibroso, i cui confini prossimale e distale sono, rispettivamente, le giunzioni ventricolo-aortica e sinotubulare.

Meno comunemente usato è il termine "complesso valvolare-aortico". In senso stretto, la valvola aortica è talvolta intesa come un elemento di bloccaggio costituito da tre cuspidi, tre commissure e un anello fibroso.

Dal punto di vista della meccanica generale, la valvola aortica è considerata una struttura composita costituita da un robusto telaio fibroso (di potenza) e da elementi a guscio relativamente sottili (pareti del seno e cuspidi) ad esso applicati. Le deformazioni e i movimenti di questo telaio si verificano sotto l'azione di forze interne che si generano nei gusci ad esso collegati. Il telaio, a sua volta, determina le deformazioni e i movimenti degli elementi a guscio. Il telaio è costituito principalmente da fibre di collagene strettamente compresse. Questa conformazione della valvola aortica determina la durata della sua funzione.

I seni di Valsalva sono la porzione espansa del tratto iniziale dell'aorta, limitata prossimalmente dal corrispondente segmento dell'anello fibroso e dalla cuspide, e distalmente dalla giunzione sinotubulare. I seni prendono il nome dalle arterie coronarie da cui dipartono: coronaria destra, coronaria sinistra e non coronaria. La parete dei seni è più sottile di quella dell'aorta ed è costituita solo da intima e media, leggermente ispessite dalle fibre collagene. In questo caso, il numero di fibre di elastina nella parete dei seni diminuisce e le fibre collagene aumentano nella direzione dalla giunzione sinotubulare a quella ventricolo-aortica. Le fibre collagene dense si trovano principalmente lungo la superficie esterna dei seni e sono orientate in direzione circonferenziale, e nello spazio sottocommissurale partecipano alla formazione dei triangoli intercuspidali che sostengono la forma della valvola. Il ruolo principale dei seni è quello di ridistribuire la tensione tra cuspidi e seni durante la diastole e di stabilire una posizione di equilibrio delle cuspidi durante la sistole. I seni sono divisi a livello della loro base da triangoli intercuspidali.

La struttura fibrosa che forma la valvola aortica è una singola struttura spaziale composta da robusti elementi fibrosi della radice aortica, dall'anello fibroso della base delle valvole, dalle aste commissurali (colonne) e dalla giunzione sinotubulare. La giunzione sinotubulare (anello arcuato o cresta arcuata) è una connessione anatomica a forma di onda tra i seni paranasali e l'aorta ascendente.

La giunzione ventricolo-aortica (anello della base valvolare) è una connessione anatomica circolare tra l'uscita del ventricolo sinistro e l'aorta, una struttura fibrosa e muscolare. Nella letteratura chirurgica straniera, la giunzione ventricolo-aortica è spesso chiamata "anello aortico". La giunzione ventricolo-aortica è formata, in media, dal 45-47% del miocardio del cono arterioso del ventricolo sinistro.

La commissura è la linea di connessione (contatto) delle cuspidi adiacenti con i loro margini prossimali periferici sulla superficie interna del segmento distale della radice aortica e la sua estremità distale si trova in corrispondenza della giunzione sinotubulare. Le aste commissurali (colonne) sono i punti di fissazione delle commissure sulla superficie interna della radice aortica. Le colonne commissurali sono la continuazione distale di tre segmenti dell'anello fibroso.

I triangoli intercuspidali di Henle sono componenti fibrose o fibromuscolari della radice aortica e si trovano prossimalmente alle commissure tra segmenti adiacenti dell'anello fibroso e le rispettive cuspidi. Anatomicamente, i triangoli intercuspidali fanno parte dell'aorta, ma funzionalmente costituiscono i tratti di efflusso dal ventricolo sinistro e sono influenzati dall'emodinamica ventricolare piuttosto che da quella aortica. I triangoli intercuspidali svolgono un ruolo importante nella funzione biomeccanica della valvola, consentendo ai seni paranasali di funzionare in modo relativamente indipendente, unendoli e mantenendo una geometria uniforme della radice aortica. Se i triangoli sono piccoli o asimmetrici, si sviluppa un anello fibroso stretto o una distorsione valvolare con conseguente disfunzione delle cuspidi. Questa situazione può essere osservata nelle valvole aortiche bicuspidi.

La cuspide è l'elemento di chiusura della valvola, con il suo bordo prossimale che si estende dalla porzione semilunare dell'anello fibroso, che è una densa struttura collagenica. La cuspide è costituita da un corpo (la porzione principale caricata), una superficie di coaptazione (chiusura) e una base. I bordi liberi delle cuspidi adiacenti in posizione chiusa formano una zona di coaptazione che si estende dalle commessure al centro della cuspide. La parte centrale ispessita, di forma triangolare, della zona di coaptazione della cuspide è chiamata nodo di Aranzi.

Il lembo che forma la valvola aortica è costituito da tre strati (aortico, ventricolare e spugnoso) ed è ricoperto esternamente da un sottile strato endoteliale. Lo strato rivolto verso l'aorta (fibrosa) contiene principalmente fibre di collagene orientate in direzione circonferenziale sotto forma di fasci e filamenti, e una piccola quantità di fibre di elastina. Nella zona di coaptazione del margine libero del lembo, questo strato è presente sotto forma di fasci individuali. I fasci di collagene in questa zona sono "sospesi" tra le colonne commissurali con un angolo di circa 125° rispetto alla parete aortica. Nel corpo del lembo, questi fasci si dipartono con un angolo di circa 45° dall'anello fibroso a forma di semiellisse e terminano sul lato opposto. Questo orientamento dei fasci di "potenza" e dei bordi del lembo a forma di "ponte sospeso" ha lo scopo di trasferire il carico di pressione durante la diastole dal lembo ai seni paranasali e alla struttura fibrosa che forma la valvola aortica.

In una valvola non caricata, i fasci fibrosi si presentano in uno stato contratto, sotto forma di linee ondulate situate in direzione circonferenziale a una distanza di circa 1 mm l'una dall'altra. Anche le fibre di collagene che compongono i fasci presentano una struttura ondulata in una valvola rilassata, con un periodo d'onda di circa 20 μm. Quando viene applicato un carico, queste onde si raddrizzano, consentendo al tessuto di allungarsi. Le fibre completamente raddrizzate diventano inestensibili. Le pieghe dei fasci di collagene si raddrizzano facilmente sotto un leggero carico della valvola. Questi fasci sono chiaramente visibili in stato di carico e in luce trasmessa.

La costanza delle proporzioni geometriche degli elementi della radice aortica è stata studiata utilizzando il metodo dell'anatomia funzionale. In particolare, si è riscontrato che il rapporto tra i diametri della giunzione sinotubulare e della base valvolare è costante e pari a 0,8-0,9. Questo vale per i complessi valvola-aorta di individui giovani e di mezza età.

Con l'età, si verificano processi qualitativi di disgregazione della struttura della parete aortica, accompagnati da una diminuzione della sua elasticità e dallo sviluppo di calcificazioni. Ciò porta, da un lato, alla sua graduale espansione e, dall'altro, a una diminuzione dell'elasticità. Oltre i 50-60 anni, si verificano alterazioni nelle proporzioni geometriche e una diminuzione dell'estensibilità della valvola aortica, accompagnate da una riduzione dell'area di apertura delle cuspidi e da un deterioramento delle caratteristiche funzionali della valvola nel suo complesso. Le caratteristiche anatomiche e funzionali della radice aortica dei pazienti legate all'età devono essere tenute in considerazione quando si impiantano sostituti biologici frameless in posizione aortica.

Un confronto tra la struttura di una formazione come la valvola aortica umana e quella dei mammiferi fu effettuato alla fine degli anni '60. Questi studi dimostrarono la somiglianza di numerosi parametri anatomici delle valvole suine e umane, a differenza di altre radici aortiche xenogeniche. In particolare, si dimostrò che il seno coronarico non coronarico e quello sinistro della valvola umana erano rispettivamente il più grande e il più piccolo. Allo stesso tempo, il seno coronarico destro della valvola suina era il più grande, mentre quello non coronarico era il più piccolo. Allo stesso tempo, furono descritte per la prima volta le differenze nella struttura anatomica del seno coronarico destro delle valvole aortiche suine e umane. In relazione allo sviluppo della chirurgia plastica ricostruttiva e della sostituzione della valvola aortica con sostituti biologici frameless, negli ultimi anni sono stati ripresi gli studi anatomici sulla valvola aortica.

[ 1 ], [ 2 ], [ 3 ], [ 4 ], [ 5 ], [ 6 ], [ 7 ]

Valvola aortica umana e valvola aortica suina

È stato condotto uno studio comparativo della struttura della valvola aortica umana e della valvola aortica suina come potenziale xenotrapianto. È stato dimostrato che le valvole xenogeniche hanno un profilo relativamente basso e sono asimmetriche nella maggior parte dei casi (80%) a causa delle dimensioni ridotte del loro seno non coronarico. L'asimmetria moderata della valvola aortica umana è dovuta alle dimensioni ridotte del suo seno coronarico sinistro e non è così pronunciata.

La valvola aortica suina, a differenza di quella umana, non presenta un anello fibroso e i suoi seni non confinano direttamente con la base delle cuspidi. Le cuspidi suine sono attaccate con la loro base semilunare direttamente alla base della valvola, poiché il vero anello fibroso è assente nelle valvole suine. Le basi dei seni e delle cuspidi xenogenici sono attaccate alle parti fibrose e/o fibromuscolari della base valvolare. Ad esempio, la base delle cuspidi non coronariche e coronariche sinistre della valvola suina, sotto forma di lembi divergenti (fibrosa e ventricolo), è attaccata alla base fibrosa della valvola. In altre parole, le cuspidi che formano la valvola aortica suina non sono direttamente adiacenti ai seni, come nelle radici aortiche allogeniche. Tra di esse si trova la parte distale della base valvolare, che in direzione longitudinale (lungo l'asse valvolare) a livello del punto più prossimale del seno coronarico sinistro e non coronarico è pari, in media, a 4,6 ± 2,2 mm, e del seno coronarico destro a 8,1 ± 2,8 mm. Questa è una differenza importante e significativa tra la valvola suina e quella umana.

L'inserzione muscolare del cono aortico del ventricolo sinistro lungo l'asse nella radice aortica suina è molto più significativa rispetto a quella allogenica. Nelle valvole suine, questa inserzione ha formato la base della cuspide coronarica destra e del seno omonimo, e in misura minore la base dei segmenti adiacenti delle cuspidi coronarica sinistra e non coronarica. Nelle valvole allogeniche, questa inserzione crea solo un supporto per la base, principalmente, del seno coronarico destro e, in misura minore, del seno coronarico sinistro.

L'analisi delle dimensioni e delle proporzioni geometriche dei singoli elementi della valvola aortica in funzione della pressione intra-aortica è stata utilizzata frequentemente in anatomia funzionale. A tale scopo, la radice aortica è stata riempita con diverse sostanze indurenti (gomma, paraffina, gomma siliconica, plastica, ecc.) e la sua stabilizzazione strutturale è stata effettuata chimicamente o criogenicamente a diverse pressioni. I calchi risultanti o le radici aortiche strutturate sono stati studiati utilizzando il metodo morfometrico. Questo approccio allo studio della valvola aortica ha permesso di stabilire alcuni modelli del suo funzionamento.

Esperimenti in vitro e in vivo hanno dimostrato che la radice aortica è una struttura dinamica e che la maggior parte dei suoi parametri geometrici cambia durante il ciclo cardiaco a seconda della pressione nell'aorta e nel ventricolo sinistro. Altri studi hanno dimostrato che la funzione delle cuspidi è in gran parte determinata dall'elasticità e dalla distensibilità della radice aortica. Ai movimenti vorticosi del sangue nei seni paranasali è stato attribuito un ruolo importante nell'apertura e nella chiusura delle cuspidi.

La dinamica dei parametri geometrici della valvola aortica è stata studiata in un esperimento su animali utilizzando cineangiografia ad alta velocità, cinematografia e cineradiografia, nonché in individui sani utilizzando la cineangiocardiografia. Questi studi ci hanno permesso di stimare la dinamica di molti elementi della radice aortica con una certa accuratezza e di stimare solo provvisoriamente la dinamica della forma e del profilo della valvola durante il ciclo cardiaco. In particolare, è stato dimostrato che l'espansione sistolica-diastolica della giunzione sinotubulare è del 16-17% e correla strettamente con la pressione arteriosa. Il diametro della giunzione sinotubulare raggiunge i suoi valori massimi al picco della pressione sistolica nel ventricolo sinistro, facilitando così l'apertura delle valvole grazie alla divergenza delle commissure verso l'esterno, per poi diminuire dopo la chiusura delle valvole. Il diametro della giunzione sinotubulare raggiunge i suoi valori minimi alla fine della fase di rilassamento isovolumetrico del ventricolo sinistro e inizia ad aumentare in diastole. Le colonne commissurali e la giunzione sinotubulare, grazie alla loro flessibilità, partecipano alla distribuzione dello stress massimo nei lembi dopo la loro chiusura, durante il periodo di rapido aumento del gradiente pressorio transvalvolare inverso. Sono stati sviluppati anche modelli matematici per spiegare il movimento dei lembi durante la loro apertura e chiusura. Tuttavia, i dati ottenuti dalla modellazione matematica erano in gran parte incoerenti con i dati sperimentali.

La dinamica della base valvolare aortica influenza il normale funzionamento dei lembi valvolari o della bioprotesi frameless impiantata. È stato dimostrato che il perimetro della base valvolare (cane e pecora) raggiungeva il suo valore massimo all'inizio della sistole, diminuiva durante la sistole e risultava minimo alla fine. Durante la diastole, il perimetro valvolare aumentava. La base valvolare aortica è anche soggetta a variazioni cicliche asimmetriche delle sue dimensioni a causa della contrazione della parte muscolare della giunzione ventricolo-aortica (triangoli intercuspidi tra i seni coronarici destro e sinistro, nonché le basi dei seni coronarici sinistro e destro). Inoltre, sono state rilevate deformazioni di taglio e torsione della radice aortica. Le deformazioni torsionali maggiori sono state osservate nell'area della colonna commissurale tra i seni coronarici non coronarici e sinistro, e quelle minime tra i seni coronarici non coronarici e destro. L'impianto di una bioprotesi frameless con base semirigida può modificare la compliance della radice aortica alle deformazioni torsionali, il che porterà al trasferimento delle deformazioni torsionali alla giunzione sinotubulare della radice aortica composita e alla formazione di distorsioni dei lembi della bioprotesi.

È stato condotto uno studio sulla normale biomeccanica della valvola aortica in soggetti giovani (21,6 anni in media) utilizzando l'ecocardiografia transesofagea con successiva elaborazione computerizzata di immagini video (fino a 120 fotogrammi al secondo) e analisi della dinamica delle caratteristiche geometriche degli elementi della valvola aortica in funzione del tempo e delle fasi del ciclo cardiaco. È stato dimostrato che durante la sistole, l'area di apertura della valvola, l'angolo radiale del lembo rispetto alla base valvolare, il diametro della base valvolare e la lunghezza radiale del lembo variano significativamente. Il diametro della giunzione sinotubulare, la lunghezza circonferenziale del margine libero del lembo e l'altezza dei seni variano in misura minore.

Pertanto, la lunghezza radiale del lembo era massima nella fase diastolica di diminuzione isovolumica della pressione intraventricolare e minima nella fase sistolica di eiezione ridotta. L'allungamento radiale sistolico-diastolico del lembo era, in media, del 63,2±1,3%. Il lembo era più lungo in diastole con un gradiente diastolico elevato e più corto nella fase di flusso ematico ridotto, quando il gradiente sistolico era prossimo allo zero. L'allungamento circonferenziale sistolico-diastolico del lembo e della giunzione sinotubulare era, rispettivamente, del 32,0±2,0% e del 14,1±1,4%. L'angolo di inclinazione radiale del lembo rispetto alla base valvolare variava, in media, da 22° in diastole a 93° in sistole.

Il movimento sistolico delle cuspidi che formano la valvola aortica è stato convenzionalmente suddiviso in cinque periodi:

1. il periodo preparatorio si è verificato durante la fase di aumento isovolumetrico della pressione intraventricolare; le valvole si sono raddrizzate, accorciate un po' in direzione radiale, la larghezza della zona di coaptazione è diminuita, l'angolo è aumentato, in media, da 22° a 60°;
2. il periodo di rapida apertura delle valvole durava 20-25 ms; con l'inizio dell'espulsione del sangue si formava alla base delle valvole un'onda di inversione che si propagava rapidamente in direzione radiale ai corpi delle valvole e ulteriormente ai loro bordi liberi;
3. il picco di apertura della valvola si verificava durante la prima fase di massima espulsione; durante questo periodo, i bordi liberi delle valvole erano piegati al massimo verso i seni, la forma dell'apertura della valvola si avvicinava a un cerchio e, di profilo, la valvola assomigliava alla forma di un cono tronco rovesciato;
4. il periodo di apertura relativamente stabile delle valvole si è verificato durante la seconda fase di massima espulsione, i bordi liberi delle valvole si sono raddrizzati lungo l'asse di flusso, la valvola ha assunto la forma di un cilindro e le valvole si sono gradualmente chiuse; alla fine di questo periodo, la forma dell'apertura della valvola è diventata triangolare;
5. Il periodo di rapida chiusura della valvola coincideva con la fase di ridotta eiezione. Alla base delle cuspidi, si formava un'onda di reversione, che stirava le cuspidi contratte in direzione radiale, portando alla loro chiusura prima lungo il bordo ventricolare della zona di coaptazione, e poi alla chiusura completa delle cuspidi.

Le deformazioni massime degli elementi della radice aortica si verificano durante i periodi di rapida apertura e chiusura della valvola. Con i rapidi cambiamenti nella forma delle cuspidi che formano la valvola aortica, possono verificarsi forti stress, che possono portare ad alterazioni degenerative del tessuto.

Il meccanismo di apertura e chiusura della valvola con formazione rispettivamente di un'onda di inversione e di reversione, nonché un aumento dell'angolo radiale di inclinazione della valvola rispetto alla base della valvola nella fase di aumento isovolumetrico della pressione all'interno del ventricolo sono attribuibili ai meccanismi di smorzamento della radice aortica, riducendo la deformazione e lo stress delle valvole valvolari.