Faculté des sciences de la vie SV, Section des sciences du vivant, Institut de biosciences intégratives IBI (Laboratoire d'hémodynamique et de technologie cardiovasculaire LHTC)

Effects of a stiffened arterial tree on ventricular-arterial coupling in healthy and diseased hearts

Jegger, David ; Stergiopulos, Nikolaos (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2006 ; no 3582.

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    Summary
    In this thesis we study ventricular-arterial coupling in rodents under the influence of arterial stiffening and myocardial infarction (MI), combination of the two considered as a novel cardiovascular research model for diseased hearts pumping against an aged, stiffened arterial tree. The stiffened arterial tree yields isolated systolic hypertension and is obtained by administration of vitamin D and nicotine (VDN). The investigation cardiac performance and ventricular-arterial coupling using such a combined model (VDN/MI) is of particular relevance to cardiac research, as cardiac disease in elderly often takes place in presence of a atherosclerotic or stiff arterial tree.. The thesis consists of an Introduction, 4 scientific papers and a brief Conclusion. The Introduction is an overview of the epidemiology of heart failure, structure and functional changes that occur during MI and VDN, material and methods used in evaluating cardiac function invasively and non-invasively (using trans-thoracic echocardiography, TTE), methods for evaluating arterial function, and finally an overview of the interaction between the heart and vessels. Paper 1: This paper addresses the issue of the universality of the normalized time-varying elastance curve. It is demonstrated that the waveform of the normalized time-varying elastance curve (En(tn)) is qualitatively comparable between the control and MI hearts, however, when En(tn) is compared quantitatively between the two groups, statistical significance is found at the ejection phase and during diastole. These differences need to be taken into account when assessing cardiac contractility based on a generalized En(tn) in different animal models or in the human in different physiological or pathological states. Paper 2: Using trans-thoracic echo (TTE), we were able to follow serial changes of cardiac function post MI using two novel parameters, the myocardioal performance index (MPI) and its ratio to left ventricular fractional shortening (LVFS/MPI), both indices being monitor successfully and as efficiently as other classical TTE parameters. More so, LVFS/MPI visually expressed better the serial modifications in cardiac function. Both MPI and LVFS/MPI were correlated to the load-independent contractile parameter, PRSW, and to the preload parameter, LVEDP, being thus pertinent in following preload changes post MI. Finally, chamber remodeling post MI can successfully be followed due to the fact that ESV and EDV both correlate to MPI and LVFS/MPI. Paper 3: We studied hemodynamics, arterial function, cardiac function and ventricular-arterial coupling in a rat model of reduced arterial compliance. The results show that arterial stiffening after VDN treatment provokes important changes in vascular impedance and wave reflections, leading to isolated systolic hypertension and LV hypertrophy, Ventricular-arterial coupling was also altered. The effects are quantitatively similar to those of arterial stiffening with age. Paper 4: We studied changes in cardiac geometry, structure and function in response to MI in control and VDN-treated (stiffened aorta) rats. The combined VDN/MI model showed the largest compromise in cardiac structure and function and exhibited the strongest biochemical signs of heart failure as compared to all other groups. The addition of MI on top of a raised afterload, seems to have accelerated the progression of heart failure. Vascular alterations also reflected well a model of ageing and calcification. This combined pathology model of failing hearts in presence of a stiff arterial tree might be fruitful in better understanding the evolution of disease and may help improving or developing novel treatment therapies. The Conclusion chapter summarizes the findings of the thesis and brings into perspective their importance and future relevance into cardiovascular research models.
    Résumé
    Dans cette thèse, nous étudions le couple ventriculo-artériel chez les rongeurs sous l'influence de rigidification artérielle et d'infarctus du myocarde (IM). La combinaison des deux est considérée comme le nouveau modèle de recherche cardio-vasculaire dans le cadre de coeurs malades devant pomper dans un arbre artériel âgé et rigidifié. Cet arbre artériel rigidifié se focalise sur l'hypertension systolique et est obtenu par administration de vitamine D et de nicotine (VDN). Les investigation des performances cardiaques et du couple ventriculo-artériel utilisant un tel modèle combiné (VDN/IM) sont d'une importance toute particulière dans la recherche cardiaque, surtout sous le point de vue des maladies cardiaques liées au grand âge, qui recèlent souvent un arbre artériel athérosclérotique ou rigidifié. Cette thèse consiste en une introduction, quatre publications scientifiques et une brève conclusion. L'introduction fait un tour d'horizon sur l'épidémiologie de l'insuffisance cardiaque, les changements structurels et fonctionnels apparaissant durant un IM et la VDN, le matériel et les méthodes utilisées pour l'évaluation invasive et non-invasive de la fonction cardiaque (échocardiographie trans-thoracique, ETT), les méthodes utilisées pour évaluer la fonction artérielle, ainsi que, pour terminer, un point sur les interactions entre coeur et vaisseaux. Publication 1) Consacrée à la courbe d'élastance normalisée en fonction du temps. Il a été démontré que la forme de la courbe d'élastance normalisée en fonction du temps (En(tn)) est qualitativement comparable entre le groupe de contrôle et les coeurs avec IM ; néanmoins, lorsque En(tn) est comparé quantitativement, l'on trouve une différence statistiquement significative entre la phase d'éjection et durant la diastole. Ces différences sont à prendre en compte lors de l'évaluation de la contractilité cardiaque basée sur un En(tn) généralisé pour différents modèles animaux ou pour l'être humain dans différents états physiologiques ou pathologiques. Publication 2) En utilisant l'échocardiographie trans-thoracique (ETT), il nous a été possible de suivre les changements de la fonction cardiaque après IM en nous servant de deux nouveaux paramètres, l'index de performance myocardique (IPM) et sa proportion dans la fraction de raccourcissement ventriculaire gauche (FRVG/IPM). Tous deux ont été monitorisés avec succès et avec la même efficacité que pour les paramètres classique de l'ETT. De plus, FRVG/IPM exprime mieux visuellement les changements dans la fonction cardiaque. IPM et FRVG/IPM ont été corrélés avec le paramètre contractile indépendant de la charge (PRSW), et avec le paramètre de précharge LVEDP, valables pour suivre les changements de précharge après IM. Le remodelage des cavités cardiaques après IM peut être suivi efficacement grâce au fait que ESV et EDV corrèlent tous deux avec IPM et FRVG/IPM. Publication 3) Nous avons examiné l'hémodynamique, la fonction artérielle, la fonction cardiaque et le couple ventriculo-artériel sur un modèle de rat à compliance artérielle réduite. Les résultats mettent en évidence qu'une rigidification artérielle près VDN provoque un important changement de l'impédance vasculaire et aussi des réflexions des ondes, conduisant à une hypertension systolique isolée et une hypertrophie du VG, ainsi qu'une altération du couple ventriculo-artériel. Ces effets sont quantitativement comparables à ceux de la rigidification artérielle liée à l'âge. Publication 4) Nous avons examiné les changements de la géométrie cardiaque, des structures et des fonctions en réponse à un IM, comparé au groupe de contrôle et aux rats traités par VDN (aorte rigidifiée). Le modèle combiné VDN/IM montre le plus grand compromis dans les structure et fonction cardiaques et montre les signes biochimiques d'insuffisance cardiaque les plus marqués en comparaison avec tous les autres groupes. L'ajout d'un IM sur une postcharge augmentée semble accélérer l'apparition d'insuffisance cardiaque. Les altérations vasculaires reflétaient bien un modèle de vieillissement et de calcification vasculaire. Cette combinaison de modèles pathologiques d'insuffisance cardiaque en présence d'un arbre artériel rigidifié pourrait aider à mieux comprendre l'évolution de la maladie et pourrait contribuer à l'amélioration ou au développement de nouvelles thérapies. Le chapitre de conclusion fait le bilan des résultats obtenus dans cette thèse et met en perspective leur importance présente et future dans les différents modèles de recherche cardiovasculaire.