Un « flottement » instable prédit un anévrisme aortique avec une précision de 98 %

Des chercheurs de l'Université Northwestern ont développé la première mesure basée sur la physique pour prédire si une personne pourrait un jour souffrir d'un anévrisme de l'aorte, une maladie mortelle qui ne provoque souvent aucun symptôme jusqu'à sa rupture.

Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont prévu une croissance aortique anormale en mesurant de subtils « battements » dans les vaisseaux sanguins d’un patient. Lorsque le sang circule dans l’aorte, la paroi vasculaire peut flotter, de la même manière qu’une bannière ondule dans la brise. Alors qu’un débit stable prédit une croissance normale et naturelle, un flottement instable est fortement prédictif d’une croissance anormale future et d’une rupture potentielle, ont découvert les chercheurs.

Appelé « paramètre d'instabilité du flottement » (FIP), la nouvelle mesure prédit le futur anévrisme avec une précision de 98 % en moyenne trois ans après la première mesure du FIP. Pour calculer un PIF personnalisé, les patients n’ont besoin que d’un seul examen d’imagerie par résonance magnétique (IRM) en flux 4D.

En utilisant la mesure prédictive et mesurable cliniquement, les médecins pourraient prescrire des médicaments aux patients à haut risque pour intervenir et potentiellement empêcher l’aorte de gonfler jusqu’à atteindre une taille dangereuse.

La recherche a été publiée cette semaine (11 décembre) dans la revue Génie biomédical naturel.

“Les anévrismes de l'aorte sont familièrement appelés” tueurs silencieux “car ils passent souvent inaperçus jusqu'à ce qu'une dissection ou une rupture catastrophique se produise”, a déclaré Neelesh A. Patankar de Northwestern, auteur principal de l'étude. “La physique fondamentale à l'origine des anévrismes est inconnue. En conséquence, il n'existe aucun protocole cliniquement approuvé pour les prédire. Nous avons désormais démontré l'efficacité d'une mesure basée sur la physique qui aide à prédire la croissance future. Cela pourrait être transformationnel dans la prévision cardiaque pathologies.”

Expert en dynamique des fluides, Patankar est professeur de génie mécanique à la McCormick School of Engineering de Northwestern. Il a codirigé l'étude avec le Dr Tom Zhao, spécialisé dans les premiers principes de la biomécanique.

Un danger croissant

Un anévrisme de l'aorte survient lorsque l'aorte (la plus grande artère du corps humain) gonfle jusqu'à atteindre une taille supérieure à 1,5 fois sa taille d'origine. À mesure qu’elle grandit, la paroi de l’aorte s’affaiblit. Finalement, la paroi devient si faible qu’elle ne peut plus résister à la pression du sang qui la traverse, provoquant la rupture de l’aorte. Bien que rare, une rupture aortique est généralement imprévisible et presque toujours mortelle.

Plusieurs personnalités sont décédées des suites d'un anévrisme de l'aorte, dont Grant Wahl, un journaliste sportif décédé subitement il y a un an lors de la Coupe du monde de football 2022. Parmi les autres décès de célébrités figurent John Ritter, Lucille Ball et Albert Einstein.

“La plupart des gens ne réalisent pas qu'ils ont un anévrisme, à moins qu'il ne soit détecté accidentellement lors d'un scanner pour un problème sans rapport”, a déclaré Patankar. “Si les médecins le détectent, ils peuvent suggérer des changements de style de vie ou prescrire des médicaments pour abaisser la tension artérielle, la fréquence cardiaque et le cholestérol. Si cela n'est pas détecté, il peut se rompre, ce qui constitue un événement catastrophique immédiat.”

“S'il se rompt lorsque la personne se trouve en dehors d'un hôpital, le taux de mortalité est proche de 100%”, a ajouté Zhao. “L'apport sanguin au corps s'arrête, de sorte que les organes essentiels comme le cerveau ne peuvent plus fonctionner.”

Supprimer les incertitudes

Pour les normes de soins actuelles, les médecins estiment le risque de rupture en fonction de facteurs de risque (tels que l'âge ou les antécédents de tabagisme) et de la taille de l'aorte. Pour surveiller une aorte en croissance, les médecins la suivent avec des examens d'imagerie réguliers. Si l'aorte commence à se développer trop rapidement ou à devenir trop volumineuse, le patient subira souvent une greffe chirurgicale pour renforcer la paroi vasculaire, une procédure invasive qui comporte ses propres risques.

“Notre manque de compréhension collectif rend difficile le suivi de la progression de l'anévrisme”, a déclaré Zhao. “Les médecins doivent suivre régulièrement la taille d'un anévrisme en visualisant son emplacement tous les un à cinq ans, en fonction de la vitesse à laquelle il s'est développé auparavant et si le patient présente des maladies associées. Au cours de cette période d'attente, un anévrisme peut éclater mortellement. “.

Pour éliminer les incertitudes liées à la prévision des futurs anévrismes, Patankar, Zhao et leurs collaborateurs ont cherché à saisir la physique fondamentale sous-jacente au problème. Au cours de travaux et d'analyses mathématiques approfondis, ils ont découvert que des problèmes surviennent lorsque la paroi vasculaire flottante passe de stable à instable. Cette instabilité provoque ou signale un anévrisme.

“Le flottement est une signature mécanique de la croissance future”, a déclaré Patankar.

Capturer la physique sous-jacente

Pour quantifier la transition de la stabilité à l'instabilité, les chercheurs ont combiné la pression artérielle, la taille de l'aorte, la rigidité de la paroi aortique, la contrainte de cisaillement sur la paroi et la fréquence du pouls. Le nombre obtenu (ou FIP) caractérise l’interaction exacte entre la pression artérielle et la rigidité de la paroi qui déclenche finalement une instabilité flottante.

“Les médecins savaient que ces facteurs – la pression artérielle, la fréquence des battements cardiaques et la taille de l'aorte – étaient impliqués, mais ils ne savaient pas comment le quantifier”, a déclaré Patankar. “Il s'avère que la combinaison de ces facteurs est ce qui est important. Un patient peut avoir une paroi instable mais une aorte de taille normale, de sorte que son médecin ne se rendra même pas compte qu'il y a un problème.”

Étonnamment, les chercheurs ont découvert que l’instabilité a tendance à se produire lorsque le mur est plus flexible. Cette découverte contredit directement la connaissance commune selon laquelle la raideur aortique est un signe de maladie.

“Nous montrons que moins il est raide, plus le patient court un risque de croissance et de rupture futures”, a déclaré Zhao. “En effet, une fois que l'aorte atteint une certaine taille, le corps essaie de la rigidifier pour apparemment la protéger d'une croissance future. Mais celles qui continuent de croître sont moins rigides. L'aorte flottera si la paroi est plus souple.”

Valider la métrique

Pour tester cette nouvelle mesure, les chercheurs ont examiné les données d'IRM en flux 4D de 117 patients ayant subi une imagerie cardiaque pour surveiller les maladies cardiaques et de 100 volontaires sains. Sur la base de cette IRM, les chercheurs ont attribué à chaque patient un PIF personnalisé. Dans cette métrique, zéro marque le seuil entre stable et instable.

Pour les patients présentant une PIF inférieure à zéro, il était peu probable que leur aorte connaisse une croissance anormale. Les chercheurs ont toutefois prédit que les patients présentant une PIF supérieure à zéro connaîtraient une croissance anormale et une rupture future.

“En établissant la valeur pronostique de cette mesure quantitative pour l'IRM cardiovasculaire 4D en flux, nous pouvons améliorer considérablement la valeur de l'imagerie offerte comme norme de soins aux patients atteints d'anévrismes”, a déclaré le Dr Ethan Johnson, co-premier auteur de l'étude et chercheur postdoctoral. en imagerie cardiovasculaire à la Feinberg School of Medicine de la Northwestern University.

Lorsque les chercheurs ont comparé ces prédictions aux IRM de suivi ou aux diagnostics des médecins, ils ont découvert que leurs prédictions étaient exactes dans 98 % des cas. Bien que le FIP ait prédit une croissance future en moyenne trois ans après l’IRM initiale (lorsque le FIP a été calculé), les chercheurs affirment que cette mesure pourrait même offrir une vision plus granulaire de la santé cardiaque sur une base quotidienne ou mensuelle.

“La période de un à huit ans correspond à la période dans laquelle se situent nos données cliniques”, a déclaré Zhao. “Pas l'intervalle de temps total pendant lequel le FIP est nécessairement efficace.”

Ensuite, Patankar, Zhao et leur équipe prévoient d'explorer si le FIP peut fournir des indices sur la façon dont d'autres maladies cardiaques se développent. Ils étudient également si la PIF spécifique au patient peut indiquer quelles méthodes de prévention sont les plus efficaces pour arrêter la progression de l'anévrisme.

La recherche s'intitule « Instabilité flottante de la paroi sanguine en tant que physiomarqueur de la progression des anévrismes de l'aorte thoracique ».