Creation of aortic regurgitation model on isolated porcine heart and aortic valve-sparing root replacement using a new device for aortic valve cusps positioning

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Valve-sparing surgery in ascending aortic and root aneurysms combined with aortic regurgitation (AR) is a relevant and actively developing trend. The ways to improve these operations are the development of new devices to simplify and standardize valve-sparing procedures using animal models and testing in experiment.

Objective. To review experimental methods of aortic root aneurysm and AR modeling, as well as devices simplifying aortic valve-sparing root replacement, including a new device for positioning of aortic valve (AV) cusps during valve-sparing root replacement with AV reimplantation (David procedure), which we have developed.

Materials and methods. The components of the developed device were manufactured by three-dimensional printing with preliminary modeling in the parametric environment of computer-aided design with the open source code FreeCAD 0.20.1. The possibility of David procedure on the isolated swine aortic root in the experiment using the new device was evaluated.

Results. During the experiments we performed aortic root replacement with AV reimplantation on the isolated porcine aortic root. We noted that the developed device provides good exposure of the surgical correction zone and reduces the probability of damage to the aortic root structures, especially to the AV cusps, in the process of reimplantation. The device eliminates the necessity to use assistants during the main stage of intervention, which reduces the probability of operator-associated complications.

Conclusion. Standardization and simplification of reimplantation of AV cusps into the vascular graft during aortic root replacement with the help of the device developed by us is achieved by performing trial positioning of AV cusps and hydraulic tests at different positions of the cusps, which simplifies the search for the optimal point of coaptation and allows to keep the found best position of the cusps until their anchoring inside the graft. The directions of further research are improvement of the design of the developed device, experimental studies with evaluation of the result of valve-sparing surgery under conditions of pulsating fluid flow, testing of the technology on large laboratory animals.

About the authors

V. E. Uspenskiy

V.A. Almazov National Medical Research Center Ministry of Health of the Russia

Author for correspondence.
Email: v.e.uspenskiy@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-7929-0594

Dr. Sci. (Med.)

 

Russian Federation, Saint Petersburg

V. L. Saprankov

V.A. Almazov National Medical Research Center Ministry of Health of the Russia

Email: v.e.uspenskiy@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-5148-4303
Russian Federation, Saint Petersburg

M. V. Guskova

V.A. Almazov National Medical Research Center Ministry of Health of the Russia

Email: v.e.uspenskiy@gmail.com
ORCID iD: 0009-0003-9115-0230
Russian Federation, Saint Petersburg

A. V. Gurschenkov

V.A. Almazov National Medical Research Center Ministry of Health of the Russia

Email: v.e.uspenskiy@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-8494-0646
Russian Federation, Saint Petersburg

Ya. G. Toropova

V.A. Almazov National Medical Research Center Ministry of Health of the Russia

Email: v.e.uspenskiy@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-1629-7868

Dr. Sci. (Biol.)

Russian Federation, Saint Petersburg

M. S. Medved

V.A. Almazov National Medical Research Center Ministry of Health of the Russia

Email: v.e.uspenskiy@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-2825-899X
Russian Federation, Saint Petersburg

V. S. Kucherenko

V.A. Almazov National Medical Research Center Ministry of Health of the Russia

Email: v.e.uspenskiy@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-5493-5205

Dr. Sci. (Med.), Profesor

Russian Federation, Saint Petersburg

M. L. Gordeev

V.A. Almazov National Medical Research Center Ministry of Health of the Russia

Email: v.e.uspenskiy@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-5362-3226

Dr. Sci. (Med.), Profesor

Russian Federation, Saint Petersburg

References

  1. Isselbacher E.M., Preventza O., Hamilton Black J. 3rd. et al. 2022 ACC/AHA Guideline for the Diagnosis and Management of Aortic Disease: A Report of the American Heart Association/American College of Cardiology Joint Committee on Clinical Practice Guidelines. Circulation. 2022; 146 (24): e334–e482. doi: 10.1161/CIR.0000000000001106
  2. Gouveia E.M.R., Silva Duarte G., Lopes A. et al. Incidence and prevalence of thoracic aortic aneurysms: a systematic review and meta-analysis of population-based studies. Semin Thorac Cardiovasc Surg. 2022; 34 (1): 1–16. doi: 10.1053/j.semtcvs.2021.02.029
  3. McClure R.S., Brogly S.B., Lajkosz K. et al. Epidemiology and management of thoracic aortic dissections and thoracic aortic aneurysms in Ontario, Canada: A population-based study. J Thorac Cardiovasc Surg. 2018; 155 (6): 2254–64.e4. doi: 10.1016/j.jtcvs.2017.11.105
  4. Бокерия Л.А., Милиевская Е.Б., Прянишников В.В. и др. Сердечно-сосудистая хирургия – 2022. Болезни и врожденные аномалии системы кровообращения. М.: НМИЦ ССХ им. А.Н. Бакулева Минздрава России, 2023; 344 с. [Bokeria L.A., Milievskaya E.B., Pryanishnikov V.V. et al. Diseases and congenital anomalies of the circulatory system. Moscow: Bakoulev NMRC of CVS of the Ministry of Health of Russia, 2023; 344 p. (in Russ.)].
  5. Россейкин Е.В., Белов Ю.В., Комаров Р.Н. и др. Отдаленные результаты применения модифицированного клапансодержащего кондуита. Кардиология и сердечно-сосудистая хирургия. 2014; 7 (2): 43–5 [Rosseikin E.V., Belov Yu.V., Komarov R.N. et al. Long-term results of modified valved conduit using. Russian Journal of Cardiology and Cardiovascular Surgery. 2014; 7 (2): 43–5 (in Russ.)].
  6. Белов Ю.В., Комаров Р.Н., Россейкин Е.В. и др. Является ли процедура Бенталла «золотым стандартом» хирургии аневризм восходящей аорты с аортальной недостаточностью? Хирургия. Журнал им. Н.И. Пирогова. 2013; 2: 135–9 [Belov Yu.V., Komarov R.N., Rosseikin E.V. et al. Is the Bentall operation “gold standart” surgical aneurysm of the ascending aorta with aortic insufficiency? Pirogov Russian Journal of Surgery. 2013; 2: 135–9 (in Russ.)].
  7. Чернявский А.М., Альсов С.А., Сирота Д.А. и др. Отдаленные результаты операции реимплантации аортального клапана у пациентов с аневризмой восходящего отдела аорты и сопутствующей аортальной недостаточностью. Ангиология и сосудистая хирургия. 2015; 1: 141–7 [Chernyavskiy A.M., Al'sov S.A., Sirota D.A. et al. Remote results of reimplantation of the aortic valve in patients with ascending aortic aneurysm accompanied by aortic insufficiency. Angiology and Vascular Surgery. 2015; 1: 141–7 (in Russ.)].
  8. Гордеев М.Л., Успенский В.Е., Ибрагимов А.Н. и др. Хирургическое лечение аневризм восходящего отдела аорты. Кардиология и сердечно-сосудистая хирургия. 2016; 9 (3): 42–50 [Gordeev M.L., Uspenskii V.E., Ibragimov A.N. et al. Surgical treatment of ascending aortic aneurysms. Russian Journal of Cardiology and Cardiovascular Surgery. 2016; 9 (3): 42–50 (in Russ.)]. doi: 10.17116/kardio20169342-50
  9. Maddalo S., Beller J., DeAnda A. A Bentall is not a Bentall is not a Bentall: the evolution of aortic root surgery. Aorta (Stamford). 2014; 2 (5): 169–78. doi: 10.12945/j.aorta.2014.14-021
  10. Ohtsubo S., Itoh T., Furukawa K. et al. Geometrical difference between an ascending aneurysm and a root aneurysm in valve-sparing operations. Jpn J Thorac Cardiovasc Surg. 2002; 50 (2): 59–65. doi: 10.1007/BF02919666
  11. Lipiski M., Eberhard M., Fleischmann T. et al. Computed Tomography-based evaluation of porcine cardiac dimensions to assist in pre-study planning and optimized model selection for pre-clinical research. Sci Rep. 2020; 10 (1): 6020. doi: 10.1038/s41598-020-63044-1
  12. Martin C., Pham T., Sun W. Significant differences in the material properties between aged human and porcine aortic tissues. Eur J Cardiothorac Surg. 2011; 40 (1): 28–34. doi: 10.1016/j.ejcts.2010.08.056
  13. Erasmi A., Sievers H.H., Scharfschwerdt M. et al. In vitro hydrodynamics, cusp-bending deformation, and root distensibility for different types of aortic valve-sparing operations: remodeling, sinus prosthesis, and reimplantation. J Thorac Cardiovasc Surg. 2005; 130 (4): 1044–9. doi: 10.1016/j.jtcvs.2005.06.005
  14. Ayaon-Albarran A., Fernandez-Jimenez R., Silva-Guisasola J. et al. Systolic flow displacement using 3D magnetic resonance imaging in an experimental model of ascending aorta aneurysm: impact of rheological factors. Eur J Cardiothorac Surg. 2016; 50 (4): 685–92. doi: 10.1093/ejcts/ezw132
  15. Magalhaes M.A., Lipinski M.J., Minha S. et al. Aortic valve ChromaFlo®: a feasibility study of aortic regurgitation and effective annular aortic area assessment in a porcine model. Cardiovasc Revasc Med. 2014; 15 (3): 156–9. doi: 10.1016/j.carrev.2014.02.006
  16. Zhu Y., Imbrie-Moore A.M., Paulsen M.J. et al. A novel aortic regurgitation model from cusp prolapse with hemodynamic validation using an ex vivo left heart simulator. J Cardiovasc Transl Res. 2021; 14 (2): 283–9. doi: 10.1007/s12265-020-10038-z
  17. Paulsen M.J., Imbrie-Moore A.M., Baiocchi M. et al. Comprehensive ex vivo comparison of 5 clinically used conduit configurations for valve-sparing aortic root replacement using a 3-dimensional-printed heart simulator. Circulation. 2020; 142 (14): 1361–73. doi: 10.1161/CIRCULATIONAHA.120.046612
  18. Krüger T., Grigoraviciute A., Veseli K. et al. Elastic properties of the young aorta: ex vivo perfusion experiments in a porcine model. Eur J Cardiothorac Surg. 2015; 48 (2): 221–7. doi: 10.1093/ejcts/ezu438
  19. Maselli D., Weltert L., Scaffa R. et al. Differences in aortic cusp coaptation between the reimplantation and the remodeling techniques of aortic valve-sparing surgery: an in vitro porcine model study. J Thorac Cardiovasc Surg. 2014; 147 (2): 615–8. doi: 10.1016/j.jtcvs.2013.01.029
  20. Leontyev S., Schamberger L., Davierwala P.M. et al. Early and late results after David vs Bentall procedure: a propensity matched analysis. Ann Thorac Surg. 2020; 110 (1): 120–6. doi: 10.1016/j.athoracsur.2019.10.020
  21. Schafers H.J. Aortic valve repair: easy and reproducible? J Thorac Cardiovasc Surg. 2015; 149 (1): 129–30. doi: 10.1016/j.jtcvs.2014.09.022
  22. David T.E. Current readings: Aortic valve-sparing operations. Semin Thorac Cardiovasc Surg. 2014; 26 (3): 231–8. doi: 10.1053/j.semtcvs.2014.10.002
  23. David T.E. Aortic valve-sparing operations. Ann Thorac Surg. 2024; 117 (1): 45–53. doi: 10.1016/j.athoracsur.2023.09.027
  24. Akimoto H., Tsuru Y., Yokoyama H. et al. Commissure holder: an innovative device for aortic valve-sparing technique. Ann Thorac Surg. 2001; 71 (4): 1380–1. doi: 10.1016/s0003-4975(00)02451-6
  25. Jelenc M., Jelenc B., Kneževic I. et al. New graft sizing rings for aortic valve reimplantation procedures. Interact Cardiovasc Thorac Surg. 2018; 26 (1): 1–3. doi: 10.1093/icvts/ivx257
  26. Успенский В.Е., Сапранков В.Л., Мазин В.И. и др. Устройство для интраоперационного позиционирования створок аортального клапана при клапаносохраняющем протезировании корня аорты. Патент RU 2822548 C1. Дата регистрации: 11.01.2024 [Uspenskiy V.E., Saprankov V.L., Mazin V.I. et al. A device for intraoperative positioning of aortic valve cusps during valve-sparing aortic root replacement. Patent RU 2822548 C1. Date of registration: 11.01.2024 (in Russ.)].

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. General view of the device for positioning aortic cusps during valve-preserving aortic root replacement with aortic valve reimplantation

Download (294KB)
3. Fig. 2. Stages of experimental valve-preserving aortic root prosthesis: a – the sinuses of Valsalva together with the coronary artery orifices are dissected, the aortic valve cusps are mobilized and isolated on the commissures; б – sutures are placed through the left ventricular outflow tract and the aortic root prosthesis, the cusps on the commissures are placed inside the prosthesis; в – the proximal ring of the device is positioned around the aortic root prosthesis; г – the proximal and distal rings of the device are positioned, the aortic valve cusps are tentatively fixed inside the prosthesis to achieve the optimal position for reimplantation

Download (687KB)
4. Fig. 3. Isolated pig aortic roots used as models in experimental David procedure

Download (397KB)
5. Fig. 4. Valve-preserving aortic root prosthetics: a, б – correct positioning of aortic valve flaps after reimplantation with formation of a highly located wide coaptation zone; в – evaluation of aortic root reimplantation after prosthesis dissection in the zone of one of the commissures

Download (687KB)

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».