Soutenance de thèse de Mourad BOUFI

Ecole Doctorale
Sciences de la Vie et de la Santé
Spécialité
Pathologie Humaine - Spécialité Pathologie Vasculaire et Nutrition
établissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
aorte thoraciaque,dissection Aortique aigue de type A,compliance aortique,anatomie crosse aortique,endoprothese aortique,
Keywords
thoracic aorta,acute type A aortic dissection,aortic compliance,aortic arch anatomy,thoracic stent graft,
Titre de thèse
characterisations morphometriques et mecaniques de l aorte thoracique
Morphometric and mechanical characterization of thoracic aorta
Date
Mercredi 6 Janvier 2016 à 14:00
Adresse
Faculte de Medecine de la Timone 27 boulevard Jean Moulim- 13385 Marseille
salle de these N 2
Jury
Directeur de thèse Yves ALIMI AP HM service de chirurgie vasculaire- Laboratoire de biomecanique appliquee IFSTTAR, UMR T24
Co-encadrant de thèse Valerie DEPLANO CNRS, UMR 7342
Examinateur Philippe PIQUET service de chirurgie vasculaire, CHU la Timone
Rapporteur Stephan HAULON service de chirurgie vaculaire, CHU Lille
Examinateur Eric STEINMETZ Service de chirurgie vasculaire, CHU Dijon
Rapporteur Pascal DESGRANGES Service de chirurgie vasculaire, CHU Henri Mondor

Résumé de la thèse

Rationnel : L’application des techniques endovasculaires à la crosse ou à l’aorte ascendante (AA), nécessite une adaptation à un environnement anatomique et biomécanique spécifique, afin de permettre un ancrage optimal. Objectifs : (1) caractériser la morphométrie de la crosse afin de déceler les critères anatomiques pourvoyeurs de complications et d’examiner la faisabilité d’endoprothèses fenêtrées standards. (2) caractériser les propriétés mécaniques de l’AA chez le porc, l’homme sain et porteur de dissection aortique (DAo). Matériels et méthodes : Caractérisation morphométrique : 218 angioTDM sont revus : groupe contrôle (n=123) et groupe pathologique (n=95). Des programmes Matlab sont développés pour mesurer différents paramètres: (1)données morphométriques élémentaires : diamètre, longueur et angle de chaque zone et de la crosse ; (2) données géométriques : indice de tortuosité (IT), profondeur et rayon de courbure (RC) de la crosse, et angulation de la zone d’ancrage ; (3) données des troncs supra-aortiques (TSAo): distance entre les ostia et la position sur le quadrant horaire de l’artère carotide commune (ACC) et l’artère sous-clavière (ASC) Ces paramètres sont comparés entre les 2 groupes et les différentes pathologies. Le lien avec la survenue de 3 types de complications – endofuites, défaut d’apposition et mal-positionnement – est examiné. Caractérisation mécanique : Etude in vivo : à partir de données échographiques et hémodynamiques, sont calculés : déformation, coefficient de distensibilité, indice de rigidité et module de Peterson (Ep). Etude in vitro : tests de traction bi-axiale sur des fragments d’AA associé à une analyse histomorphométrique et microstructurale par microscopie multiphoton. Résultats :Caractérisation morphométrique : les traumas présentent des spécificités morphologiques liées à l’âge : profondeur de la crosse et RC, plus petits et IT plus grand. Les anévrysmes et DAo ont des caractéristiques similaires. Les données des TSAo montrent : un angle moyen pour l’ACC et ASC respectivement de 20 ±10° et 11 ±15° ; une distance moyenne TABC- ACC et ACC- ASC respectivement de 7±4.5 mm et de 15 ±5.5 mm. Plus de 75% des patients ont une orientation des TSAo dans les limites des 15° par rapport à la moyenne, et une variabilité des distances TABC- ACC et ACC- ASC de seulement ± 4 mm. Des facteurs indépendants associés aux complications sont identifiés :(1) collet proximal court (HR 0.89 ; p=0.032) pour les endofuites type I; (2) angulation de la zone d’ancrage (OR=1.05, p=0.005) pour le défaut d’apposition avec une valeur seuil de 51°; et (3) l’IT (OR=241 , p=0.05) pour le mal-positionnement avec une valeur seuil 1.68 Caractérisation mécanique : Etude in vivo montre : une grande compliance de l’aorte porcine comparé à l’homme : coefficient de distensibilité élevé et Ep plus faible chez le porc (p< 0 ,001). Une paroi plus rigide en cas de DAo : Ep= 198 ± 107kPa vs 436 ± 393 kPa, p=0.041. L’analyse structurale corrobore ces résultats: chez le porc, une densité en élastine élevée et chez l’homme en cas de DAo, une augmentation du collagène avec modification de l’orientation des fibres. Etude in vitro : l’aorte porcine a un comportement quasi-linéaire comparé au caractère non linéaire chez l’homme. Les résultats des tests en cas de DAo sont en cours. Conclusion : Ce travail montre le lien entre morphométrie et survenue de complications après endoprothèse, et des éléments favorables pour la faisabilité d’endoprothèses standards pour la crosse. Les propriétés mécaniques différentes entre l’homme et le porc font de ce dernier un modèle inapproprié pour tester les endoprothèses de l’AA. D’ou l’importance de développer des approches alternatives comme la modélisation par éléments finis. La mise en évidence d’une rigidification de la paroi en cas de DAo aura des conséquences pour le choix de l’ancrage des futurs endoprothèses et l’optimisation des modèles numériques.

Thesis resume

Introduction: extension of thoracic endovascular aortic repair (TEVAR) to arch and ascending aorta (AA) requires adequacy to specific anatomic and biomechanical environment, to achieve optimal proximal fixation Objectives: First, to characterize arch morphometry in both control group and patients treated for different aortic pathologies, in order to analyze anatomical criteria favoring complications after TEVAR and to examine feasibility of « off-the-shelf » fenestrated devices. Second, to characterize mechanical properties of AA in swine and human, with and without aortic dissection. Materials and methods : Morphometric characterization : 218 computed tomographic angiography were reviewed : control group (n=123) and pathological group (n=95). Matlab scripts are developed to calculate different parameters : (1) elementary morphometric data : diameter, length, aortic angle of each zone and arch; (2) geometric data : tortuosity index (TI), arch depth, radius of arch curvature (RC), landing zone angle ; (3) supra-aortic trunks data : distances between the 3 ostia, clock-face positions of the left common carotid artery (LCC) and left subclavian artery (LSA). Morphological parameters are compared between the 2 groups and the different pathologies. Association between morphometry and 3 types of complications – endoleak, bird beak and mispostionning- are examined. Mechanical characterization : comprises in vivo and ex vivo studies performed in swine, humans with and without aortic dissection. In vivo study : arterial pressure and diameters measured with echocardiography are used to calculate : strain, distensibility, stiffness index, and Peterson modulus (Ep). Ex vivo study : biaxial tensile testing are performed on aortic wall associated with histological and microstructural analysis using multiphoton microscopy Results : Morphometric characterization : trauma patients have significantly smaller arch width and RC and greater TI compared to aneurysm and dissection. These differences are age-related. Aneurysms and dissections are comparable. Supra-aortic data analysis shows : mean LCC and LSA orientation angle of 20 ±10° and 11 ±15° respectively ; mean distance innominate trunk-LCC and LCC-LSA of 7±4.5 mm and 15 ±5.5 mm respectively. In > 75% of cases supra-aortic branches are positioned within 15° of each other and the distances innominate trunk-LCC and LCC-LSA have a variability of ± 4 mm. Independant factors associated with endoleak, bird beak and mis-positioning are identified. These were respectively : (1) short proximal neck (HR 0.89, p=0.032); (2) landing zone angulation (OR=1.05 , p=0.005) with cut-off value of 51°; and (3) tortuosity index (OR=241, p=0.05) with cut-off value of 1.68. Mechanical characterization : in vivo data reveals greater compliance of swine aorta compared to humans : higher distensitbility index and smaller Ep (p< 0.001). Significant difference in elastic properties between the 2 human groups is noted, with a stiffer aorta in case of aortic dissection ; Ep = 198 ± 107kPa vs 436 ± 393 kPa, p=0.041. These results are consistent with structural data: higher elastin density in swine, and higher proportion of collagen with changes in fiber orientations in aortic dissection. Biaxial testing shows a nearly linear stress-strain behavior of swine tissues, compared with a non linear response of human. Results in aortic dissection are ongoing. Conclusion : the present study reveals the impact of anatomy on complications occurrence after TEVAR, as well as suitable arguments for « off-the-shelf » arch devices. The different mechanical properties between human and swine brings into question the validity of swine models to test AA dedicated stent-graft. Hence the importance to develop alternatives approaches as finite element models. The stiffer aortic wall found in aortic dissection has direct consequences on the choice of proximal fixation for futur devices and optimisation of computational analysis.