Research on Biomedical Engineering
https://rbejournal.org/article/doi/10.4322/rbeb.2012.061
Research on Biomedical Engineering
Original Article

Disipación energética latido a latido endotelio-dependiente en la pared arterial

Endothelium-dependent mechanical effects on the beat to-beat energy dissipation in the arterial wall

Pessana, Franco; Armentano, Ricardo; Santana, Daniel Bia; Zocalo, Yanina; Fischer, Edmundo Cabrera

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Resumen

La dinámica parietal arterial presenta dependencia con el nivel de fre cuencia de estiramiento. El endotelio modula el tono muscular y cumple una importante función en la regulación de la dinámica parietal. El obje tivo del presente trabajo fue evaluar el rol del endotelio en las propiedades mecánicas y energéticas de la pared arterial a diferentes frecuencias de estiramiento. Siete arterias braquiocefálicas ovinas fueron estudiadas in vitro, bajo condiciones de flujo pulsátil con un sistema de bombeo neumá tico. La presión y diámetro arterial se midieron a diferentes frecuencias (f), dentro de un rango fisiológico (f 1 = 60, f 2 = 80, f 3 = 100 latidos/min), y se construyó la relación presión-diámetro. Los índices dinámicos elástico (Edyn ), viscoso (η) y masa (M), la aproximación de primer orden del ancho de banda (f C1 ), el módulo de pérdida viscosa (ηω), el módulo viscoelástico complejo (E’), el ángulo de fase de E’(φ), trabajos elástico medio (We ), y viscoso medio (Wv ), fueron calculados para cada nivel de frecuencia, antes y luego de desendotelizar (DE), usando un modelo adaptativo lineal AutoRegresivo con entrada eXógena (ARX). Para cada frecuencia, los valores de E’, Edyn y ηω, obtenidos tras DE fueron mayores que en las arterias intactas (p < 0,05). El We fue significativamente superior luego de DE (desde 5,05 ± 1,92 a 6,35 ± 2,53 en f 1 ; 7,15 ± 2,91 a 8,65 ± 3,23 en f 2 y 8,01 ± 3,21·104 a 9,79 ± 4,19·104 N/s en f 3 ). El Wv luego de la DE fue siempre superior (p < 0,05), (desde 1,94 ± 0,61 a 2,25 ± 0,77 en f 1 ; 3,20 ± 1,03 a 4,01 ± 1,19 en f 2 y 2,42 ± 1,50·107 a 4,23 ± 1,50·107 N/s en f 3 ). La remoción del endotelio indujo incrementos significativos en la disipación de energía y los índices viscoleásticos de la pared arterial a idénticas frecuencias de estiramiento. El endotelio podría contribuir a mi nimizar la disipación de energía por ciclo debido a la viscosidad parietal en las arterias.

Palabras clave

Endotelio, Viscosidad parietal arterial, Músculo liso, Frecuencia de estiramiento, Disipación energética.

Abstract

Arterial wall dynamic properties have been found to be stretch ing rate-dependent. Endothelium modulates the smooth muscle tone, playing an important function in the regulation of the wall dynamics. The aim of this work was to evaluate the role of en dothelium on the mechanical and energetic properties of the arte rial wall at different stretching rates. Seven ovine brachiocephalic arteries were studied in vitro, under pulsatile flow conditions achieved by a pneumatic assist pump. Pressure and diameter signals were assessed in each artery at different frequencies (f) in a physiological range (f 1 = 60, f 2 = 80, f 3 = 100 beats/min) in order to obtain the pressure-diameter relationship. Elastic (Edyn), viscous (η) and mass (M) wall indexes, first order approximation half power bandwidth (f C1 ), viscous loss modulus (ηω), complex viscoelastic modulus (E’), phase angle of E’(φ), mean elastic work (We ) and mean viscous work (Wv ) were calculated before and af ter de-endothelization (DE) at each frequency level, using a lin ear Autoregressive with Exogenous input (ARX) adaptive model of the arterial wall. Values of E’, Edyn, and ηω obtained after DE were significantly higher (p < 0.05) for all frequencies studied. Values of We were significantly higher after DE (from 5.05 ± 1.92 to 6.35 ± 2.53 in f 1 ; 7.15 ± 2.91 to 8.65 ± 3.23 in f 2 and 8.01 ± 3.21·104 to 9.79 ± 4.19·104 N/s in f 3 ). Values of Wv for DE arteries were always higher (p < 0.05) (from 1.94 ± 0.61 to 2.25 ± 0.77 in f 1 ; 3.20 ± 1.03 to 4.01 ± 1.19 in f 2 and 2.42 ± 1.50·107 to 4.23 ± 1.50·107 N/s in f 3 ). Endothelium removal induced significant increases in energy dis sipation and viscoelasticity indexes of the arterial wall at identical stretching rate levels. Endothelium could contribute to minimize the beat-to-beat energy dissipation due to arterial wall viscosity in arteries.

Keywords

Endothelium, Arterial wall viscosity, Smooth muscle, Stretching rate, Energy dissipation.
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