Instabiles „Flattern“ sagt ein Aortenaneurysma mit einer Genauigkeit von 98 % voraus

Forscher der Northwestern University haben die erste physikalische Metrik entwickelt, um vorherzusagen, ob eine Person eines Tages ein Aortenaneurysma erleiden könnte, eine tödliche Erkrankung, die oft keine Symptome verursacht, bis sie reißt.

In der neuen Studie prognostizierten die Forscher ein abnormales Aortenwachstum, indem sie subtile „Flattern“ im Blutgefäß eines Patienten maßen. Wenn Blut durch die Aorta fließt, kann es zu einem Flattern der Gefäßwand kommen, ähnlich wie ein Banner, das sich im Wind bewegt. Während ein stabiler Fluss ein normales, natürliches Wachstum vorhersagt, ist ein instabiles Flattern ein starker Indikator für zukünftiges abnormales Wachstum und einen möglichen Bruch, fanden die Forscher heraus.

Der neue Messwert, der als „Flatterinstabilitätsparameter“ (FIP) bezeichnet wird, sagte drei Jahre nach der ersten Messung des FIP zukünftige Aneurysmen mit einer Genauigkeit von durchschnittlich 98 % voraus. Um einen personalisierten FIP zu berechnen, benötigen Patienten nur einen einzigen 4D-Flow-Magnetresonanztomographie-Scan (MRT).

Mithilfe der klinisch messbaren, prädiktiven Metrik könnten Ärzte Hochrisikopatienten Medikamente verschreiben, um einzugreifen und möglicherweise zu verhindern, dass die Aorta auf eine gefährliche Größe anschwillt.

Die Forschung wurde diese Woche (11. Dezember) in der Zeitschrift veröffentlicht Naturbiomedizinische Technik.

„Aortenaneurysmen werden umgangssprachlich als ‚stille Killer‘ bezeichnet, weil sie oft unentdeckt bleiben, bis es zu einer katastrophalen Dissektion oder Ruptur kommt“, sagte Neelesh A. Patankar von Northwestern, leitender Autor der Studie. „Die grundlegende Physik, die Aneurysmen antreibt, ist unbekannt. Daher gibt es kein klinisch anerkanntes Protokoll, um sie vorherzusagen. Jetzt haben wir die Wirksamkeit einer physikbasierten Metrik nachgewiesen, die dabei hilft, zukünftiges Wachstum vorherzusagen. Dies könnte bei der Vorhersage von Herzerkrankungen von entscheidender Bedeutung sein.“ Pathologien.

Patankar ist Experte für Fluiddynamik und Professor für Maschinenbau an der McCormick School of Engineering im Nordwesten. Er leitete die Studie gemeinsam mit Dr. Tom Zhao, der sich auf Grundlagen der Biomechanik spezialisiert hat.

Wachsende Gefahr

Ein Aortenaneurysma entsteht, wenn die Aorta (die größte Arterie im menschlichen Körper) auf mehr als das 1,5-fache ihrer ursprünglichen Größe anschwillt. Während sie wächst, wird die Wand der Aorta schwächer. Schließlich wird die Wand so schwach, dass sie dem Druck des durch sie fließenden Blutes nicht mehr standhalten kann, was zum Bruch der Aorta führt. Obwohl selten, ist eine Aortenruptur meist unvorhersehbar und fast immer tödlich.

Mehrere prominente Menschen sind an einem Aortenaneurysma gestorben, darunter Grant Wahl, ein Sportjournalist, der vor einem Jahr bei der FIFA-Weltmeisterschaft 2022 plötzlich verstarb. Weitere prominente Todesfälle sind John Ritter, Lucille Ball und Albert Einstein.

„Die meisten Menschen merken nicht, dass sie ein Aneurysma haben, es sei denn, sie werden zufällig entdeckt, wenn sie einen Scan auf ein nicht damit zusammenhängendes Problem erhalten“, sagte Patankar. „Wenn Ärzte es entdecken, können sie Änderungen des Lebensstils vorschlagen oder Medikamente verschreiben, um den Blutdruck, die Herzfrequenz und den Cholesterinspiegel zu senken. Bleibt es unentdeckt, kann es reißen, was ein unmittelbar katastrophales Ereignis darstellt.“

„Wenn es reißt, während sich die Person außerhalb eines Krankenhauses befindet, liegt die Sterblichkeitsrate bei nahezu 100 %“, fügte Zhao hinzu. „Die Blutversorgung des Körpers wird unterbrochen, sodass wichtige Organe wie das Gehirn nicht mehr funktionieren können.“

Das Rätselraten beseitigen

Bei der aktuellen Standardversorgung schätzen Ärzte das Risiko einer Ruptur auf der Grundlage von Risikofaktoren (wie Alter oder Rauchergeschichte) und der Größe der Aorta ein. Um eine wachsende Aorta zu überwachen, verfolgen Ärzte sie mit regelmäßigen bildgebenden Scans. Wenn die Aorta zu schnell wächst oder zu groß wird, muss sich der Patient häufig einer chirurgischen Transplantation zur Verstärkung der Gefäßwand unterziehen, einem invasiven Eingriff, der seine eigenen Risiken birgt.

„Unser kollektives Unverständnis macht es schwierig, das Fortschreiten des Aneurysmas zu überwachen“, sagte Zhao. „Ärzte müssen die Größe eines Aneurysmas regelmäßig überwachen, indem sie alle ein bis fünf Jahre eine Bildaufnahme seiner Lage machen, abhängig davon, wie schnell das Aneurysma zuvor gewachsen ist und ob der Patient an damit verbundenen Krankheiten leidet. Während dieser Zeit des Abwartens kann ein Aneurysma tödlich platzen.“ .“

Um das Rätselraten bei der Vorhersage zukünftiger Aneurysmen zu beseitigen, versuchten Patankar, Zhao und ihre Mitarbeiter, die grundlegende Physik zu erfassen, die dem Problem zugrunde liegt. In umfangreichen mathematischen Arbeiten und Analysen entdeckten sie, dass Probleme auftreten, wenn die flatternde Gefäßwand von stabil zu instabil übergeht. Diese Instabilität verursacht oder signalisiert ein Aneurysma.

„Flattern ist ein mechanisches Zeichen für zukünftiges Wachstum“, sagte Patankar.

Erfassung der zugrunde liegenden Physik

Um den Übergang von Stabilität zu Instabilität zu quantifizieren, kombinierten die Forscher Blutdruck, Aortengröße, Steifheit der Aortenwand, Scherspannung an der Wand und Pulsfrequenz. Die resultierende Zahl (oder FIP) charakterisiert die genaue Wechselwirkung zwischen Blutdruck und Wandsteifheit, die letztendlich die Flatterinstabilität auslöst.

„Ärzte wussten, dass diese Faktoren – Blutdruck, Herzschlagfrequenz und Aortengröße – eine Rolle spielten, aber sie wussten nicht, wie sie das quantifizieren sollten“, sagte Patankar. „Es stellt sich heraus, dass die Kombination dieser Faktoren ausschlaggebend ist. Ein Patient könnte eine instabile Wand, aber eine Aorta normaler Größe haben, sodass sein Arzt nicht einmal bemerken würde, dass ein Problem vorliegt.“

Überraschenderweise stellten die Forscher fest, dass es tendenziell zu Instabilität kommt, wenn die Wand flexibler ist. Dieser Befund widerspricht direkt der allgemeinen Erkenntnis, dass Aortensteifheit ein Zeichen einer Krankheit ist.

„Wir zeigen: Je weniger steif es ist, desto größer ist das Risiko für künftiges Wachstum und einen Bruch des Patienten“, sagte Zhao. „Das liegt daran, dass der Körper, sobald die Aorta eine bestimmte Größe erreicht hat, versucht, sie zu versteifen, um sie scheinbar vor zukünftigem Wachstum zu schützen. Aber diejenigen, die noch wachsen, sind weniger steif. Die Aorta wird flattern, wenn die Wand nachgiebiger ist.“

Validierung der Metrik

Um die neue Metrik zu testen, überprüften die Forscher 4D-Flow-MRT-Daten von 117 Patienten, die sich einer Herzbildgebung zur Überwachung von Herzerkrankungen unterzogen, und von 100 gesunden Freiwilligen. Basierend auf dieser MRT ordneten die Forscher jedem Patienten einen personalisierten FIP zu. In dieser Metrik markiert Null die Schwelle zwischen stabil und instabil.

Bei Patienten mit einem FIP unter Null war ein abnormales Wachstum der Aorta unwahrscheinlich. Die Forscher sagten jedoch voraus, dass bei Patienten mit einem FIP von mehr als Null ein abnormales Wachstum und zukünftige Rupturen auftreten würden.

„Indem wir den prognostischen Wert dieser quantitativen Metrik für die kardiovaskuläre 4D-Fluss-MRT ermitteln, können wir den Wert der Bildgebung, die als Standardversorgung für Patienten mit Aneurysmen angeboten wird, erheblich verbessern“, sagte Dr. Ethan Johnson, Co-Erstautor der Studie und Postdoktorand in kardiovaskulärer Bildgebung an der Feinberg School of Medicine der Northwestern University.

Als die Forscher diese Vorhersagen mit Folge-MRTs oder ärztlichen Diagnosen verglichen, stellten sie fest, dass ihre Vorhersagen in 98 % der Fälle korrekt waren. Obwohl der FIP ein zukünftiges Wachstum im Durchschnitt drei Jahre nach der ersten MRT (als der FIP berechnet wurde) vorhersagte, sagen die Forscher, dass diese Kennzahl sogar einen detaillierteren Überblick über die Herzgesundheit auf täglicher oder monatlicher Basis bieten könnte.

„Der Zeitraum von einem bis acht Jahren ist der Zeitraum, in dem sich unsere klinischen Daten befinden“, sagte Zhao. „Nicht das gesamte Zeitintervall, in dem die FIP notwendigerweise wirksam ist.“

Als nächstes wollen Patankar, Zhao und ihr Team untersuchen, ob das FIP Hinweise darauf geben kann, wie sich andere Herzerkrankungen entwickeln. Sie untersuchen auch, ob patientenspezifische FIP Aufschluss darüber geben kann, welche Präventionsmethoden am wirksamsten sind, um das Fortschreiten des Aneurysmas zu stoppen.

Die Forschung trägt den Titel „Instabilität des Blutwandflatterns als Physiomarker für das Fortschreiten thorakaler Aortenaneurysmen.“