Aortenklappe

Die Aortenklappe gilt als die am besten untersuchte, da sie bereits vor langer Zeit, beginnend mit Leonardo da Vinci (1513) und Valsalva (1740), und wiederholt, insbesondere in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts, beschrieben wurde. Dabei waren die Studien der vergangenen Jahre überwiegend beschreibender, seltener vergleichender Natur. Beginnend mit der Arbeit von J. Zimmerman (1969), in der der Autor vorschlug, die Klappenfunktion als Fortsetzung ihrer Struktur zu betrachten, begannen die meisten Studien morphofunktioneller Natur zu sein. Dieser Ansatz zur Untersuchung der Funktion der Aortenklappe durch die Untersuchung ihrer Struktur war zum Teil auf die methodischen Schwierigkeiten der direkten Untersuchung der Biomechanik der Aortenklappe als Ganzes zurückzuführen. Untersuchungen der funktionellen Anatomie ermöglichten es, die morphofunktionellen Grenzen der Aortenklappe zu bestimmen, die Terminologie zu klären und ihre Funktion weitgehend zu untersuchen.

Dank dieser Studien begann man, die Aortenklappe im weiteren Sinne als eine einzige anatomische und funktionelle Struktur zu betrachten, die sowohl mit der Aorta als auch mit der linken Herzkammer verbunden ist.

Nach modernen Konzepten ist die Aortenklappe eine volumetrische Struktur mit trichterförmiger oder zylindrischer Form, die aus drei Sinus, drei interkuspidalen Henle-Dreiecken, drei halbmondförmigen Segeln und einem Faserring besteht, dessen proximale und distale Grenzen jeweils die ventrikuloaortischen und sinotubulären Verbindungen sind.

Weniger gebräuchlich ist der Begriff „Valvulär-Aorten-Komplex“. Im engeren Sinne wird die Aortenklappe manchmal als ein Verschlusselement verstanden, das aus drei Segeln, drei Kommissuren und einem Faserring besteht.

Aus allgemeinmechanischer Sicht wird die Aortenklappe als Verbundstruktur betrachtet, die aus einem starken faserigen (Kraft-)Rahmen und darauf angeordneten, relativ dünnen Schalenelementen (Sinuswänden und Klappensegeln) besteht. Verformungen und Bewegungen dieses Rahmens entstehen durch die Einwirkung innerer Kräfte in den daran befestigten Schalen. Der Rahmen wiederum bestimmt die Verformungen und Bewegungen der Schalenelemente. Der Rahmen besteht hauptsächlich aus dicht gepackten Kollagenfasern. Dieser Aufbau der Aortenklappe bestimmt die Dauerhaftigkeit ihrer Funktion.

Die Valsalvaesinus sind der erweiterte Teil des Anfangsabschnitts der Aorta, der proximal durch das entsprechende Segment des Faserrings und die Klappe und distal durch den sinotubulären Übergang begrenzt wird. Die Sinus werden nach den Koronararterien benannt, von denen sie abgehen: rechtskoronar, linkskoronar und nichtkoronar. Die Wand der Sinus ist dünner als die Wand der Aorta und besteht nur aus der Intima und Media, die durch Kollagenfasern etwas verdickt sind. In diesem Fall nimmt die Anzahl der Elastinfasern in der Wand der Sinus ab, und die Kollagenfasern nehmen in Richtung vom sinotubulären zum ventrikuloaortischen Übergang zu. Dichte Kollagenfasern befinden sich hauptsächlich entlang der Außenfläche der Sinus und sind in Umfangsrichtung ausgerichtet. Im subkommissuralen Raum sind sie an der Bildung von Interkuspidreiecken beteiligt, die die Form der Klappe stützen. Die Hauptaufgabe der Sinus besteht darin, die Spannung zwischen den Klappentaschen und den Sinustaschen während der Diastole umzuverteilen und während der Systole eine Gleichgewichtsposition der Klappentaschen herzustellen. Die Sinustaschen sind an ihrer Basis durch Interkuspiddreiecke unterteilt.

Das Fasergerüst der Aortenklappe ist eine räumliche Struktur aus starken Faserelementen der Aortenwurzel, dem Faserring der Klappenbasis, den Kommissurenstäben (Säulen) und der sinotubulären Verbindung. Die sinotubuläre Verbindung (gewölbter Ring oder gewölbter Grat) ist eine wellenförmige anatomische Verbindung zwischen den Sinus und der aufsteigenden Aorta.

Der ventrikulo-aortische Übergang (Klappenbasisring) ist eine runde anatomische Verbindung zwischen dem linken Ventrikelausgang und der Aorta, einer faserigen und muskulären Struktur. In der ausländischen chirurgischen Literatur wird der ventrikulo-aortische Übergang oft als „Aortenring“ bezeichnet. Der ventrikulo-aortische Übergang wird durchschnittlich zu 45–47 % vom Myokard des arteriellen Konus des linken Ventrikels gebildet.

Die Kommissur ist die Verbindungslinie (Kontaktlinie) benachbarter Klappen mit ihren peripheren proximalen Rändern an der Innenfläche des distalen Segments der Aortenwurzel. Ihr distales Ende befindet sich am sinotubulären Übergang. Kommissurenstäbe (Säulen) sind die Fixierungsstellen der Kommissuren an der Innenfläche der Aortenwurzel. Kommissurensäulen sind die distale Fortsetzung dreier Segmente des Faserrings.

Die Henle-Interkuspidaldreiecke sind faserige oder fibromuskuläre Bestandteile der Aortenwurzel und liegen proximal der Kommissuren zwischen benachbarten Segmenten des Faserrings und ihren jeweiligen Klappensegeln. Anatomisch gesehen sind die Henle-Interkuspidaldreiecke Teil der Aorta, funktionell bilden sie jedoch Ausflusswege aus dem linken Ventrikel und werden eher von der ventrikulären als von der aortalen Hämodynamik beeinflusst. Die Henle-Interkuspidaldreiecke spielen eine wichtige Rolle für die biomechanische Funktion der Klappe, indem sie den Sinus eine relativ unabhängige Funktion ermöglichen, sie vereinen und eine einheitliche Geometrie der Aortenwurzel aufrechterhalten. Sind die Dreiecke klein oder asymmetrisch, entwickelt sich ein schmaler Faserring oder eine Klappenverzerrung mit nachfolgender Funktionsstörung der Klappensegel. Diese Situation kann bei bikuspiden Aortenklappen beobachtet werden.

Die Klappe ist das Verschlusselement der Klappe. Ihr proximaler Rand erstreckt sich vom halbmondförmigen Teil des Faserrings, einer dichten Kollagenstruktur. Die Klappe besteht aus einem Körper (dem Hauptlastteil), einer Koaptationsfläche (Verschlussfläche) und einer Basis. Die freien Ränder benachbarter Klappen bilden in geschlossener Position eine Koaptationszone, die sich von den Kommissuren bis zur Mitte der Klappe erstreckt. Der verdickte, dreieckige Mittelteil dieser Koaptationszone wird als Aranzi-Knoten bezeichnet.

Das Segel, das die Aortenklappe bildet, besteht aus drei Schichten (Aorten-, Ventrikel- und Schwammschicht) und ist außen mit einer dünnen Endothelschicht bedeckt. Die der Aorta zugewandte Schicht (Fibrosa) enthält hauptsächlich in Form von Bündeln und Strängen in Umfangsrichtung ausgerichtete Kollagenfasern und eine kleine Menge Elastinfasern. In der Koaptationszone des freien Randes des Segels liegt diese Schicht in Form einzelner Bündel vor. Die Kollagenbündel in dieser Zone sind in einem Winkel von etwa 125° zur Aortenwand zwischen den Kommissurensäulen „aufgehängt“. Im Körper des Segels gehen diese Bündel in einem Winkel von etwa 45° in Form einer Halbellipse vom Faserring ab und enden auf seiner gegenüberliegenden Seite. Diese Ausrichtung der „Kraftbündel“ und der Ränder des Segels in Form einer „Hängebrücke“ soll die Druckbelastung während der Diastole vom Segel auf die Sinus und das faserige Gerüst übertragen, das die Aortenklappe bildet.

Bei einer unbelasteten Herzklappe befinden sich die Faserbündel in kontrahiertem Zustand in Form wellenförmiger Linien, die in Umfangsrichtung in einem Abstand von etwa 1 mm voneinander angeordnet sind. Die Kollagenfasern, aus denen die Bündel bestehen, weisen auch bei einer entspannten Herzklappe eine wellenförmige Struktur mit einer Wellenperiode von etwa 20 μm auf. Bei Belastung glätten sich diese Wellen, wodurch sich das Gewebe dehnt. Vollständig geglättete Fasern werden undehnbar. Die Falten der Kollagenbündel glätten sich bei leichter Belastung der Herzklappe leicht. Diese Bündel sind im belasteten Zustand und im Durchlicht deutlich sichtbar.

Die Konstanz der geometrischen Proportionen der Aortenwurzelelemente wurde mit der Methode der funktionellen Anatomie untersucht. Insbesondere wurde festgestellt, dass das Verhältnis der Durchmesser der sinotubulären Verbindung und der Klappenbasis konstant ist und 0,8–0,9 beträgt. Dies gilt für die Klappen-Aorten-Komplexe junger und mittelalter Personen.

Mit zunehmendem Alter kommt es zu qualitativen Störungen der Aortenwandstruktur, begleitet von einer Abnahme ihrer Elastizität und der Entwicklung von Verkalkung. Dies führt einerseits zu seiner allmählichen Ausdehnung und andererseits zu einer Abnahme der Elastizität. Veränderungen der geometrischen Proportionen und eine Abnahme der Dehnbarkeit der Aortenklappe treten im Alter von über 50-60 Jahren auf, was mit einer Verringerung der Öffnungsfläche der Klappensegel und einer Verschlechterung der funktionellen Eigenschaften der gesamten Klappe einhergeht. Altersbedingte anatomische und funktionelle Besonderheiten der Aortenwurzel von Patienten sollten bei der Implantation rahmenloser biologischer Ersatzprodukte in die Aortenposition berücksichtigt werden.

Ein Vergleich der Struktur einer Formation wie der Aortenklappe von Mensch und Säugetier wurde Ende der 1960er Jahre durchgeführt. Diese Studien zeigten die Ähnlichkeit einer Reihe anatomischer Parameter der Schweine- und menschlichen Klappen im Gegensatz zu anderen xenogenen Aortenwurzeln. Insbesondere zeigte sich, dass der nicht-koronare und der linke Koronarsinus der menschlichen Klappe jeweils der größte und der kleinste waren. Gleichzeitig war der rechte Koronarsinus der Schweineklappe der größte und der nicht-koronare der kleinste. Gleichzeitig wurden erstmals die Unterschiede in der anatomischen Struktur des rechten Koronarsinus der Schweine- und menschlichen Aortenklappe beschrieben. Im Zusammenhang mit der Entwicklung der rekonstruktiven plastischen Chirurgie und des Aortenklappenersatzes durch biologische rahmenlose Substituenten wurden in den letzten Jahren anatomische Studien der Aortenklappe wieder aufgenommen.

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

Menschliche Aortenklappe und Schweineaortenklappe

Es wurde eine vergleichende Studie zur Struktur der menschlichen Aortenklappe und der Schweineaortenklappe als potenzielles Xenotransplantat durchgeführt. Es zeigte sich, dass die xenogenen Klappen ein relativ niedriges Profil aufweisen und aufgrund der geringeren Größe ihres nichtkoronaren Sinus in den meisten Fällen (80 %) asymmetrisch sind. Eine moderate Asymmetrie der menschlichen Aortenklappe ist auf die geringere Größe ihres linken Koronarsinus zurückzuführen und weniger ausgeprägt.

Im Gegensatz zur menschlichen Aortenklappe besitzt die Schweine-Aortenklappe keinen Faserring, und ihre Sinus grenzen nicht direkt an die Basis der Klappensegel. Die Schweine-Aortensegel sind mit ihrer halbmondförmigen Basis direkt mit der Klappenbasis verbunden, da der echte Faserring bei Schweineklappen fehlt. Die Basen xenogener Sinus und Klappensegel sind mit den faserigen und/oder fibromuskulären Teilen der Klappenbasis verbunden. Beispielsweise sind die Basen der nicht-koronaren und linkskoronaren Klappensegel der Schweineklappe in Form divergierender Segel (Fibrosa und Ventriculans) mit der faserigen Basis der Klappe verbunden. Mit anderen Worten: Die Klappensegel, die die Schweine-Aortenklappe bilden, grenzen nicht direkt an die Sinus, wie bei den allogenen Aortenwurzeln. Dazwischen befindet sich der distale Teil der Klappenbasis, der in Längsrichtung (entlang der Klappenachse) auf Höhe des proximalsten Punktes des linken Koronarsinus und des nichtkoronaren Sinus durchschnittlich 4,6 ± 2,2 mm und des rechten Koronarsinus 8,1 ± 2,8 mm beträgt. Dies ist ein wichtiger und signifikanter Unterschied zwischen der Schweineklappe und der menschlichen Klappe.

Die muskuläre Insertion des Aortenkegels des linken Ventrikels entlang der Achse in der Schweineaortenwurzel ist deutlich ausgeprägter als in der allogenen. Bei Schweineklappen bildete diese Insertion die Basis des rechten Koronarsinus und des gleichnamigen Sinus sowie in geringerem Maße die Basis der angrenzenden Segmente des linken Koronarsinus und des nichtkoronaren Sinus. Bei allogenen Klappen dient diese Insertion lediglich als Stütze für die Basis, hauptsächlich des rechten Koronarsinus und in geringerem Maße des linken Koronarsinus.

Die Analyse der Größen und geometrischen Proportionen einzelner Elemente der Aortenklappe in Abhängigkeit vom intraaortalen Druck wurde in der funktionellen Anatomie häufig angewendet. Dazu wurde die Aortenwurzel mit verschiedenen Härtemitteln (Gummi, Paraffin, Silikonkautschuk, Kunststoffe etc.) gefüllt und ihre Struktur unter verschiedenen Drücken chemisch oder kryogen stabilisiert. Die resultierenden Abgüsse bzw. strukturierten Aortenwurzeln wurden morphometrisch untersucht. Dieser Ansatz zur Untersuchung der Aortenklappe ermöglichte die Feststellung einiger Funktionsmuster.

In-vitro- und In-vivo-Experimente haben gezeigt, dass die Aortenwurzel eine dynamische Struktur ist und sich die meisten ihrer geometrischen Parameter während des Herzzyklus abhängig vom Druck in der Aorta und im linken Ventrikel ändern. Weitere Studien zeigten, dass die Funktion der Klappen maßgeblich von der Elastizität und Dehnbarkeit der Aortenwurzel bestimmt wird. Wirbelbewegungen des Blutes in den Nebenhöhlen spielten eine wichtige Rolle beim Öffnen und Schließen der Klappen.

Die Dynamik der geometrischen Parameter der Aortenklappe wurde in einem Tierversuch mittels Hochgeschwindigkeitskineangiographie, Kinematographie und Kineradiographie sowie bei gesunden Probanden mittels Kineangiokardiographie untersucht. Diese Studien ermöglichten es uns, die Dynamik vieler Elemente der Aortenwurzel ziemlich genau abzuschätzen und die Dynamik der Form und des Profils der Klappe während des Herzzyklus nur vorläufig abzuschätzen. Insbesondere wurde gezeigt, dass die systolisch-diastolische Ausdehnung der sinotubulären Verbindung 16-17 % beträgt und eng mit dem arteriellen Druck korreliert. Der Durchmesser der sinotubulären Verbindung erreicht seine Maximalwerte beim Höhepunkt des systolischen Drucks im linken Ventrikel, wodurch das Öffnen der Klappen aufgrund der Divergenz der Kommissuren nach außen erleichtert wird, und nimmt dann nach dem Schließen der Klappen ab. Der Durchmesser der sinotubulären Verbindung erreicht seine Minimalwerte am Ende der isovolumischen Relaxationsphase des linken Ventrikels und beginnt in der Diastole zuzunehmen. Die Kommissurensäulen und die sinotubuläre Verbindung sind aufgrund ihrer Flexibilität an der Verteilung der maximalen Spannung in den Klappensegeln nach deren Schließung während der Phase des schnellen Anstiegs des umgekehrten transvalvulären Druckgradienten beteiligt. Es wurden auch mathematische Modelle entwickelt, um die Bewegung der Klappensegel während ihres Öffnens und Schließens zu erklären. Die Daten der mathematischen Modellierung waren jedoch weitgehend inkonsistent mit den experimentellen Daten.

Die Dynamik der Aortenklappenbasis beeinflusst die normale Funktion der Klappensegel oder der implantierten rahmenlosen Bioprothese. Es zeigte sich, dass der Umfang der Klappenbasis (Hund und Schaf) zu Beginn der Systole seinen Maximalwert erreichte, während der Systole abnahm und am Ende minimal war. Während der Diastole vergrößerte sich der Klappenumfang. Die Aortenklappenbasis kann aufgrund der Kontraktion des muskulären Teils des ventrikuloaortischen Übergangs (Interkuspidaldreiecke zwischen dem rechten und linken Koronarsinus sowie die Basen des linken und rechten Koronarsinus) auch zyklische asymmetrische Größenänderungen erfahren. Außerdem wurden Scher- und Torsionsdeformationen der Aortenwurzel festgestellt. Die stärksten Torsionsdeformationen wurden im Bereich der Kommissur zwischen dem nicht-koronaren und dem linken Koronarsinus festgestellt, die geringsten zwischen dem nicht-koronaren und dem rechten Koronarsinus. Die Implantation einer rahmenlosen Bioprothese mit halbstarrer Basis kann die Nachgiebigkeit der Aortenwurzel gegenüber Torsionsdeformationen verändern, was zur Übertragung von Torsionsdeformationen auf die sinotubuläre Verbindung der zusammengesetzten Aortenwurzel und zur Bildung von Verzerrungen der Bioprothesensegel führt.

Eine Studie zur normalen Biomechanik der Aortenklappe bei jungen Personen (durchschnittlich 21,6 Jahre) wurde mittels transösophagealer Echokardiographie mit anschließender computergestützter Verarbeitung der Videobilder (bis zu 120 Bilder pro Sekunde) und Analyse der Dynamik der geometrischen Eigenschaften der Aortenklappenelemente in Abhängigkeit von Zeit und Phasen des Herzzyklus durchgeführt. Es zeigte sich, dass sich während der Systole der Klappenöffnungsbereich, der radiale Winkel des Segels zur Klappenbasis, der Durchmesser der Klappenbasis und die radiale Länge des Segels signifikant ändern. Der Durchmesser der sinotubulären Verbindung, die Umfangslänge des freien Segelrands und die Höhe der Sinus ändern sich in geringerem Maße.

Somit war die radiale Länge des Segels in der diastolischen Phase der isovolumetrischen Abnahme des intraventrikulären Drucks maximal und in der systolischen Phase der reduzierten Ausstoßung minimal. Die radiale systolisch-diastolische Dehnung des Segels betrug im Durchschnitt 63,2 ± 1,3 %. Das Segel war in der Diastole mit einem hohen diastolischen Gradienten länger und in der Phase reduzierten Blutflusses kürzer, wenn der systolische Gradient nahe Null war. Die zirkumferentielle systolisch-diastolische Dehnung des Segels und der sinotubulären Verbindung betrug jeweils 32,0 ± 2,0 % und 14,1 ± 1,4 %. Der radiale Neigungswinkel des Segels zur Klappenbasis änderte sich im Durchschnitt von 22 in der Diastole auf 93° in der Systole.

Die systolische Bewegung der Klappensegel, die die Aortenklappe bilden, wurde üblicherweise in fünf Perioden unterteilt:

1. die Vorbereitungsphase erfolgte während der Phase des isovolumischen Anstiegs des intraventrikulären Drucks; die Klappen richteten sich auf, verkürzten sich etwas in radialer Richtung, die Breite der Koaptationszone nahm ab, der Winkel vergrößerte sich im Durchschnitt von 22° auf 60°;
2. die Phase der schnellen Öffnung der Klappen dauerte 20–25 ms; mit dem Einsetzen des Blutausstoßes bildete sich an der Basis der Klappen eine Inversionswelle, die sich schnell in radialer Richtung zu den Klappenkörpern und weiter zu ihren freien Rändern ausbreitete;
3. der Höhepunkt der Klappenöffnung trat während der ersten Phase der maximalen Ausstoßung auf; während dieser Zeit waren die freien Ränder der Klappen maximal in Richtung der Nebenhöhlen gebogen, die Form der Klappenöffnung näherte sich einem Kreis und im Profil ähnelte die Klappe der Form eines umgedrehten Kegelstumpfes;
4. Die Phase der relativ stabilen Öffnung der Ventile trat während der zweiten Phase der maximalen Ausstoßung auf, die freien Kanten der Ventile richteten sich entlang der Strömungsachse auf, das Ventil nahm die Form eines Zylinders an und die Ventile schlossen sich allmählich; am Ende dieser Phase nahm die Form der Ventilöffnung eine dreieckige Form an;
5. die Phase des schnellen Klappenschlusses fiel mit der Phase des reduzierten Auswurfs zusammen. An der Basis der Klappensegel bildete sich eine Reversionswelle, die die kontrahierten Klappensegel in radialer Richtung streckte, was zu ihrem Verschluss zunächst entlang der ventrikulären Kante der Koaptationszone und dann zum vollständigen Verschluss der Klappensegel führte.

Maximale Deformationen der Aortenwurzelelemente traten während des schnellen Öffnens und Schließens der Klappe auf. Bei schnellen Formänderungen der Klappensegel, die die Aortenklappe bilden, können in ihnen hohe Spannungen auftreten, die zu degenerativen Veränderungen des Gewebes führen können.

Der Mechanismus des Öffnens und Schließens der Klappe mit der Bildung einer Inversions- bzw. Reversionswelle sowie einer Vergrößerung des radialen Neigungswinkels der Klappe zur Basis der Klappe in der Phase des isovolumetrischen Druckanstiegs im Ventrikel kann auf die Dämpfungsmechanismen der Aortenwurzel zurückgeführt werden, wodurch die Verformung und Belastung der Klappen verringert wird.