Az emberi epeutak mechanikai viselkedéséről

Levelezés: Dr. Xiaoyu Luo, Matematika Tanszék, Glasgowi Egyetem, Glasgow, G12 8QW, Egyesült Királyság. [email protected]

Telefon: + 44-141-3304746 Fax: + 44-141-3304111

Absztrakt

BEVEZETÉS

Az emberi epe rendszer az epehólyagból, a cisztás csatornából, a közös epevezetékből és az Oddi záróizomból áll. Az epehólyag vékony falú, körte alakú tasak, amelynek hossza általában 7-10 cm, szélessége körülbelül 3 cm. Ez az izmos tasak a máj jobb lebenyének hátsó részén található fossa. Az epehólyag átlagos tárolókapacitása körülbelül 20-30 ml. Az epe, az epeúti rendszerben áramló folyadék három fő összetevőből áll: koleszterin, epesók és bilirubin. Amikor az epehólyag nem működik megfelelően, az epe komponensei túltelítettek, ami szilárd kristályok, úgynevezett epekövek kialakulásához vezet.

A régészek a 17. századi B C-ből származó emberi epeköveket találtak a görögországi Mükénában, ami arra utal, hogy az emberiség legalább 4000 éve szenved ebben a betegségben [1]. A kolecisztektómia a nyugati leggyakrabban végzett hasi műtét, Angliában és Walesben évente mintegy 60 000 műtétet végeznek [2], a Nemzeti Egészségügyi Szolgálatnak (NHS) körülbelül 60 millió font költséggel [3]. Azonban nem minden művelet nyújtott hatékony gyógymódot; az acalculousos megbetegedések 50% -ában a betegek panaszkodtak a tünetek megismétlődésére [4]. Ezért az epekőbetegségek mechanizmusainak megértése elengedhetetlen e betegségek jobb diagnosztizálásához és kezeléséhez.

Az epekő képződésének megértésének legkorábbi kísérlete az epehólyagon belül előforduló jelenségekre összpontosított. A koleszterin epekő képződése két körülménytől függ: (1) koleszterin kristály magképződés; (2) koleszterin kristálynövekedés. A kristály magképződéséhez vagy növekedéséhez szükséges fizikai-kémiai tényező a koleszterin szupertelítettsége az epében [5-8]. Az epe pangása koleszterin szupertelítettséget okozhat, és lehetővé teszi koleszterin kövek képződését [9]. További tanulmányok kimutatták, hogy az epehólyag-nyálkahártya hiper-szekréciója szintén fontos tényező az epekő képződésében a koleszterin nukleációjának felgyorsításával [10-12]. Azt is megállapították, hogy az epében megnövekedett glikoproteinek megelőzik a koleszterin-telítettséget és a kristályosodást [13].

Az epehólyag az evés ingerére képes úgy reagálni, hogy összehúzza és az epét a duodenumba engedi. Az epehólyagot jelenleg „lassú szivattyúnak” tekintik, amikor az ürítés vagy újratöltés történik; térfogatváltozása az epehólyag belsejében lévő nyomással és annak megfelelőségével függ össze [14-16]. Ezt a kapcsolatot gyakran feltételezik lineárisnak [14], de újabban „fújtató” plusz szivattyúként írták le, amelyben az ürítés és az utántöltés váltakozik [9,17]. A kolecisztokinin (CCK), egy kémiai inger, nemcsak az epehólyag összehúzódását okozza, hanem lehetővé teszi a cisztás csatorna [18] és néha a közös epevezeték [19] összehúzódását is. Így gyakran CCK injekciót alkalmaznak az epehólyag motoros funkciójának in vivo tanulmányozására.

Az epehólyag rossz motoros működése az epehólyag rendellenes kiürüléséhez vezethet, és feltételezhető, hogy hozzájárul az epe pangásához és így az epekő képződéséhez. Számos tanulmány kimutatta, hogy az epehólyag ürítése rendellenes az epekövekben szenvedő betegeknél [20-31]. Ezenkívül megfigyelték, hogy a cisztás csatornák áramlási ellenállása megnő az epekő képződése előtt [32,33].

A BÉLFOLYADÉKDINAMIKA SZEREPE

Epe reológia

Az epe reológiája, az epe viszkozitásának vizsgálata érdekes lehet az epe áramlásának mechanikájában, mivel közvetlenül hozzájárul az epeúti áramlás ellenállásához. A kísérleti mérések azt mutatták, hogy az epehólyag epe sűrűsége szobahőmérsékleten nagyon közel van a víz sűrűségéhez, azaz 1000 kg/m 3 [34]. Az epe viszkozitása azonban nagyon különbözik a vízétől (amely kb. 1 mPa.s állandó), és kóros helyzetekben jelentősen megváltozhat.

Bouchier és munkatársai [35] arról számoltak be, hogy az epehólyag epe dinamikus viszkozitása magasabb, mint a máj epe, és hogy a viszkozitás megnövekszik kóros állapotokban [36]. Doty [37] szerint ez annak köszönhető, hogy a kövekkel rendelkező epehólyagokban nyálka van. Jungst és mtsai [38] azt is kimutatták, hogy az epe viszkozitása szignifikánsan magasabb volt koleszterinszinttel (5,0 mPa.s) és kevert kövekkel (3,5 mPa.s) szenvedő betegeknél, összehasonlítva a máj epeével (0.92 mPa.s). Emellett pozitív összefüggést talált a mucin és a viszkozitás között az epehólyag epeiben, de a máj epében nem.

Nyilvánvaló, hogy az epe viszkozitása normál fiziológiai esetekben is alanyfüggő lehet. Kóros esetekben változhat newtoni, gyengén nem newtoni és erősen nem newtoni viselkedés között is. Egészséges alanyok esetében azonban ésszerű lehet azt feltételezni, hogy az epe newtoni folyadék. Valójában ezt a feltételezést széles körben alkalmazták a cisztás csatornák modellezésében [34,42-44].

Az epeutak geometriája és az áramlási ellenállás

Az epehólyag újratöltése és ürítése során a hormonális és idegi ingerekre reagálva [45] az epe áramlása áthalad az epehólyagot és a közös epevezetéket összekötő cisztás csatornán, lásd az 1. ábrát. 1. A cisztás csatorna anatómiájának megfigyelései azt mutatták, hogy a csatorna tipikusan kétféle szerkezet kombinációját mutatja be: (1) amelyben a csatorna lumen fala bemutathatja Heister szelepét [46,47]; (2) a csatorna sima lumenű, amely különféle geometriákat ír le, például spirál, tekercselés, kanyarok vagy spirál, amely M alakú hurkot tartalmaz stb. [34, 48]. A különböző cisztás csatornaszerkezetek jelentősen befolyásolhatják az epe azonos áramlásának a rendszeren keresztül történő vezetéséhez szükséges nyomásesést. Az (1) szerkezettípus például sokkal nagyobb áramlási ellenállást kínál a (2) típushoz képest.

Az epeutak geometriája, ahol a cisztás csatornában lévő Heister szelepei láthatók.

A cisztás csatorna geometriája és a kolelithiasis közötti összefüggést in vivo vizsgálták. 250 kolelithiasisban szenvedő és 250 egészséges kontroll alapján Deenitchin és mtsai [49] felfedezték, hogy az epekövekben szenvedő betegeknél lényegesen hosszabb és keskenyebb cisztás csatornák vannak (átlagos hosszúság 48 mm és átmérő 4 mm), mint a kövek nélküli (átlagos hosszúság 28). mm és átmérő 7 mm). Az eredmények azt sugallják, hogy az áramlási ellenállást befolyásolja a cisztás csatorna geometriája, és összefüggésbe hozható kolelithiasissal.

Rodkiewicz és mtsai [42] a kutya epeúti rendszerén keresztüli nyomásesés vizsgálatakor megállapították, hogy az epe áramlási sebessége az epe rendszerfában (beleértve az Oddi záróizomot is) összefüggésben van a nyomáseséssel, hatalmi törvény, azaz nem a Poiseuille-törvény, amelyet általában egy merev egyenes csőben áramolnak, amely. Az n teljesítményindex 1,47-2,05 tartományban volt. Másrészt azt találták, hogy a Poiseuille-törvény hozzávetőlegesen érvényes, amikor az epe egy hosszú, kör alakú, sima és merev cső mentén áramlik [42], ami arra utal, hogy a kutya epe többé-kevésbé newtoni folyadék.

A részletes áramlási ellenállás pontosabb becslésének kulcsa az epeutak rekonstrukciója minden beteg számára. A 2D valós idejű ultrahangvizsgálatot és a HIDA szcintigráfiai technikákat már régóta alkalmazzák az epehólyag térfogatának mérésében és a kolecisztitisz diagnosztizálásában [50-52]. Ezek azonban csak korlátozott információt adhatnak a 3D-s epeutakról. Egy 3D-s valós idejű ultrahangos technika kidolgozása folyamatban van, és ezt alkalmazták az epehólyag alakjának és térfogatának mérésére [53]. A 3D spirál/helikális komputertomográfia (CT) szintén részt vett a kolecisztitisz diagnosztizálásában, mivel nemcsak az epehólyag 3D képeit mutatja, hanem az egész epeutat is [54-60]. Ezek a technikák a jövőben megkönnyíthetik az áramlási ellenállás mérésére szolgáló speciális modellek kidolgozását.

Oddi záróizom

Az Oddi emberi záróizom alapnyomását az epekő betegség befolyásolja. Cicala és munkatársai [70] 155 betegnél vizsgálták a záróizom motoros aktivitását, és azt találták, hogy az epekövek gyakran társulnak a megnövekedett bazális nyomással, amely akadályozhatja az epe áramlását, ami epehólyag-pangást okozhat. A kutya epeúti csatornáján a nyomásesés és az áramlás ellenállásának korai munkája azt mutatta, hogy az Oddi záróizom ellenállása legalább körülbelül háromszor nagyobb, mint a cisztás csatornában [71]. Ezek az eredmények azt sugallják, hogy az Oddi záróizom mechanikai szerepe a rendszerben jelentős lehet. Valójában ez hozzájárulhat azokhoz az okokhoz, amelyek szerint a cisztás csatornarezisztencia nyomásesésének számítási előrejelzése sokkal alacsonyabb, mint az ürítés során klinikailag megfigyelt nyitási nyomás [34].

A SZILÁRD MECHANIKA SZEREPE

Az epehólyag izmainak mechanikai tulajdonságai

Az epehólyag az ürítési folyamat során idegi és hormonális ingerek irányításával összehúzódik [64]. Az izomrost háló összehúzódása az epehólyag lumen közepe felé irányított erővektorot generál. Az összehúzódás miatti izomváltozások modellezéséhez olyan kapcsolatra van szükség, amely leírja a rendszer izomreakcióit a külső erőkre. Ez a fontos összefüggés konstitutív összefüggésként ismert, amely lehetővé teszi számunkra az izomon belüli stressz eloszlásának megjóslását. Az epehólyag-izmok jelenlegi mechanikai tanulmányainak többsége a konstitutív összefüggésekre koncentrált, akár az epehólyag térfogat-nyomás viszonyában, akár az izomcsík hossz-feszültség viszonyában.

A nyomás-térfogat viszony

Az epehólyag térfogatváltozása és a nyomáskülönbség közötti összefüggés kifejezhető (1), ahol az epehólyag megfelelősége, amely in vitro vagy in vivo kísérletek alapján meghatározható.

Ryan és Cohen [14] tanulmányozták az oposszum nyomás-térfogat-reakcióját bazális körülmények között, a gasztrinI, a szekretin és a CCK folyamatos intravénás infúziója után. Megállapították, hogy stimuláció nélkül az epehólyag képes volt befogadni a térfogatnövekedést, csak kis nyomásváltozásokkal, míg a CCK jelentősen megnövelte az epehólyag nyomását. Megállapították, hogy az epehólyag megfelelősége bazális körülmények között körülbelül 0,77 ml/Hgmm volt, de 0,38-ra és 0,34 ml/Hgmm-re csökkent, mivel a CCK stimuláció 0,025-ről 2,5 μg/kg/h-ra nőtt. Schoetz és mtsai [15] a felnőtt nőstény páviánok dinamikus nyomás-térfogat viszonyát mérték. Eredményeik egy hiszterézishurkot mutattak a nyomás-térfogat viszonyban, amelyet a CCK stimuláció súlyosbított. Ez arra utal, hogy az epehólyag-izom viszkoelasztikus anyagként viselkedhet. Az általuk mért átlagos ingerek ingerrel és anélkül azonban nagyon közel voltak Ryan és Cohen értékéhez [14]. Middelfart és mtsai [16] 11 epekővel szenvedő betegnél mérték az epehólyagok nyomás-térfogat viszonyát, amelyben az epehólyagokat sóoldattal fecskendezték be McGaham katéteren keresztül. Megállapították, hogy a megfelelés 0,17 és 4,0 ml/Hgmm között változott, és nagymértékben függ az alanyoktól, átlagértéke körülbelül 2,66 ml/Hgmm.

A hossz-feszültség összefüggés

Mivel az epehólyag simaizom rétegből áll, az ürítés során mind aktív, mind passzív feszültségnek van kitéve. Az aktív feszültséget hormonális ingerek generálják, a passzív feszültséget pedig az izom nyújtása okozza. Az epehólyag aktív ereje és hosszváltozása közötti konstitutív egyenletet epehólyagcsíkokban vizsgálták egy-axiális kísérletek segítségével. Bár a simaizom hormonra adott válaszának az idő függvényében változónak kell lennie, jelenleg minden tanulmány azt feltételezi, hogy az epehólyag hossz-feszültség viszonya időfüggetlen.

Mack és Todd [72] az operáció során kapott 25 emberi epehólyag 50 csíkját tanulmányozta. Megállapították, hogy az emberi epehólyag izom képes fenntartani a tónust in vitro, és hogy a csúcsi feszültség 3-5 percen belül elérhető a hormonális stimuláció után. Sajnos nem mérték a hossz és a feszültség kvantitatív kapcsolatát, ezért ezekhez a vizsgálatokhoz nem volt felállítható konstitutív egyenlet.

Washabau és munkatársai [73] érett nőstény tengerimalacok epehólyag-izomcsíkjait használták, hogy megmérjék az izometrikus stresszt, amelyet 10-8-10-10 M acetil-kolinnal vagy 10-80 mmol/l KCl stimulációval stimuláltak. A passzív feszültség az L/L0 hosszaránnyal nőtt (ahol L a deformált hossz, és L0 a kezdeti hossz). Megállapították, hogy az aktív feszültség maximális értékét L0-nál érte el, és ezután csökkent, bár az összfeszültség (aktív + passzív) L/L0-val nőtt. Bird és mtsai [74] a kolecisztektómiánál eltávolított emberi epehólyag izomcsíkjainak feszültségét mérték. Nem találtak különbséget a hosszanti, a kör alakú és a ferde síkból vett mintákban. Az epehólyag testrészéből vett minták azonban erősebben összehúzódtak, mint az epehólyag nyakrészéből. A testrész csíkjai szintén érzékenyebbek voltak a muszkarin stimulációra. Nem mérték a hossz-feszültség összefüggést. Ahmed és mtsai [75] összehasonlították az acalculous epefájdalomtól szenvedő betegek csíkjainak válaszát a normál epehólyagok CCK-8 és karbachol stimulációt követő reakcióival. Nem találtak különbséget a CCK válaszaiban ebben a két csoportban; de a csoport megint nem mérte meg a hossz-feszültség összefüggést.

Az epevezeték mechanikai tulajdonságai

SZÁMI ÉS MATEMATIKAI MODELLEZÉS

Ooi és munkatársai [34] két- és háromdimenziós cisztás csatornamodelleket egyaránt felhasználva tanulmányozták a cisztás csatorna geometriájának az áramlási ellenállásra gyakorolt hatását. Numerikus vizsgálatuk során a cisztás csatornát egyenes csőként modellezték, kétféle, különböző számú és magasságú terelőlappal (ábra (2. ábra). 2). Az epét feltételezzük newtoni eredetűnek, viszkozitása 1-4 mPa.s között változik. Ezután az eredményeket valósághűbb kétdimenziós modellekkel hasonlítottuk össze, amelyek a beteg epeúti képein alapultak (ábra (3. ábra). 3). Megállapították, hogy a terelőlap magassága és a terelők száma egyaránt jelentősen befolyásolhatja az áramlási ellenállást. Valójában az áramlási ellenállás sokkal jobban reagál ezekre a geometriai hatásokra, mint a megnövekedett epeviszkozitásra. Ugyanolyan áramlási körülmények között a beteg epehólyagra épülő szkennelt modell ellenállása nagyobbnak bizonyult, mint egy egészségesé (ábra (4. ábra 4).

Az Ooi és mtsai [43] által alkalmazott cisztás csatornamodellek két típusa (módosítva a Journal of Biomechanics 2. kötet 2. ábrájából, 37. évfolyam, 1913-1922. Oldal) .