Abstract Calcific aortic valve disease (CAVD) is the most common valvular heart disease in the Western world. Although it shares mainly the same risk factors as coronary heart disease (CHD), i.e. similar initial events in both diseases but with time, they lead to different clinical outcomes. Thus, when it affects the coronary arteries, the disease leads to an obstructive or rupture-prone plaque whereas in the aortic valve, it causes massive calcification and ossification. This obstructs the blood flow from the left cardiac ventricle, causing myocardial hypertrophy, and if left untreated, heart failure and death. Many of the pathobiological differences between CAVD and CHD remain unknown. Currently, there are no effective lifestyle- or pharmacologic treatments for CAVD and the only therapy is a valve replacement operation. In this thesis, several studies utilizing large-scale methods were undertaken to profile the molecular events leading to CAVD. Surgically removed valves from patients in different stages of the disease were obtained and gene transcripts, microRNA-molecules and several proteins were identified as being differentially expressed. Several of these were investigated further, including two pro-inflammatory CC-type chemokine ligands 3 and 4 (CCL3 and CCL4), microRNA-125b, several granzyme-proteins and heat-shock protein 90. The results of this thesis provide a large dataset of hundreds of molecular changes associated with CAVD. It is proposed that they can be used as a basis for the generation of new hypotheses and assist in the design of experiments to clarify the mechanisms driving CAVD. / Tiivistelmä Aorttaläpän kalkkeutuva ahtauma on länsimaiden yleisin sydänläppäsairaus. Riskitekijät ovat pääosin samat kuin sepelvaltimotaudissa, ja molemmat saavat alkunsa samalla tavalla. Ajan myötä ne kuitenkin johtavat varsin erilaisiin kliinisiin ilmenemismuotoihin: sepelvaltimoihin kasvaa ahtauttavia ja repeytymisherkkiä plakkeja, kun taas aorttaläppään muodostuu runsaasti kalkkia ja luuta. Se haittaa verenvirtausta sydämen vasemmasta kammiosta aorttaan, mikä aiheuttaa sydänlihaksen paksuuntumista. Hoitamattomana tauti johtaa lopulta sydämen vajaatoimintaan ja kuolemaan. Monet syyt eroihin sepelvaltimotaudin ja aorttaläpän ahtauman välillä ovat edelleen tuntemattomia. Tällä hetkellä aorttaläpän ahtaumaan ei ole olemassa tehokasta elintapa- tai lääkehoitoa, ja ainoa hoitomuoto onkin vioittuneen aorttaläpän korvaaminen proteesilla. Tässä väitöskirjatyössä tehtiin useita laaja-alaisia molekyylitason profilointitutkimuksia, joilla selvitettiin aorttaläpän ahtaumaan mahdollisesti johtavia mekanismeja. Aineistona oli leikkauksessa potilailta poistettuja, erilaisissa taudin vaiheissa olevia aorttaläppiä. Niistä kerättiin tietoja kaikkien geenien ilmentymisestä, mikroRNA-molekyyleistä sekä koko proteomitason muutoksista. Useat tunnistetuista molekyyleistä valittiin jatkotutkimuksiin niiden tarkempien ominaisuuksien selvittämiseksi. Näitä olivat tulehdusta välittävät kemokiinit CCL3 ja CCL4, mikroRNA-125b, useat grantsyymiproteiinit sekä lämpöshokkiproteiini 90. Väitöskirjatyön tuloksista voidaan muodostaa ainutlaatuinen aineisto sadoista erilaisista aorttaläpän ahtaumaan johtavista molekyylitason muutoksista. Sitä voidaan hyödyntää uusien tutkimushypoteesien muodostamisessa sekä aorttaläpän ahtauman tarkempien mekanismien selvittämiseen tähtäävien kokeellisten tutkimusten suunnittelussa.

Abstract Heart failure (HF) and aortic valve stenosis (AS) are complex disorders affected by functional alterations and actively regulated remodelling of the heart and the aortic valve, respectively. In addition to structural proteins, such as collagens and elastin, the extracellular matrix (ECM) in the heart and the aortic valve comprises non-collagenous factors that are not strictly involved in the architecture but may modulate cardiac and valvular remodelling. In the present study the expression of non-collagenous fibrosis- and calcification-related ECM proteins was investigated in HF-associated cardiac remodelling from different origins as well as in fibrocalcific aortic valve disease leading to AS. The experimental models of pressure overload, myocardial infarction (MI) and chronic renal failure were used to study the cardiac expression of bone morphogenetic protein (BMP)-2, BMP-4, bone sialoprotein, matrix Gla protein (MGP), osteoactivin, osteopontin, periostin and/or pleiotrophin in vivo in cardiac remodelling. Human aortic valves, obtained from patients undergoing valve replacement, were studied to characterize the valvular expression of BMP-2, BMP-4, bone sialoprotein, MGP, osteoactivin, osteopontin, osteoprotegerin, periostin, pleiotrophin, and thrombospondins (TSPs) 1-4 in the different stages of fibrocalcific aortic valve disease. Left ventricular (LV) MGP expression was upregulated in vivo in non-uremic cardiac remodelling. In vitro results indicate that angiotensin II elevates MGP expression in cardiomyocytes and fibroblasts. Periostin gene expression was induced in cardiac but not in aortic valve remodelling and the cardiac induction in chronic renal insufficiency was associated with LV hypertrophy and blood pressure as well as the cardiac gene expression of other fibrosis-related genes. Bone sialoprotein and osteopontin were expressed in the aortic valves in parallel with calcification, and also in distinct models of cardiac remodelling. Osteoprotegerin protein expression in stenotic valves was weak regardless of a simultaneous increase in gene expression. BMPs were downregulated in AS and no change in LV gene expression was detected in uremic cardiac remodelling. All the studied TSPs were expressed in human aortic valves, and especially the expression of TSP-2 was shown to increase in fibrocalcific aortic valves simultaneously with decreased activation of the Akt/nuclear factor (NF)-κB-pathway. This study delineates distinct expression patterns of non-collagenous ECM proteins in pathological tissue remodelling in the heart and in the aortic valve, and thus emphasizes the role of ECM proteins as an important modulator of cardiac and aortic valve remodelling. / Tiivistelmä Sydämen vajaatoiminnan ja aorttastenoosin taudinkuvaan kuuluvat toiminnallisten muutosten ohella aktiivisesti säädellyt soluväliaineen muutokset sydämen ja aorttaläpän rakenteessa. Soluväliaineen rakenteen muodostavien kollageenien ja elastiinin lisäksi soluväliaineessa on rakenteeseen kuulumattomia proteiineja. Tässä väitöskirjassa tutkittiin sidekudoksen kertymiseen ja kudosten kalkkiutumiseen osallistuvia soluväliaineen proteiineja sydämen vajaatoiminnassa sekä aorttastenoosiin johtavassa kalkkiuttavassa aorttaläppäviassa. Tutkimuksessa selvitettiin sydämen soluväliaineen proteiinien ilmentymistä painekuormituksen, sydäninfarktin ja pitkäaikaisen munuaisten vajaatoiminnan koemalleissa rotalla. Tutkittavia proteiineja olivat luun morfogeneettiset proteiinit 2 ja 4, luun sialoproteiini, matriksin Gla proteiini (MGP), osteoaktiviini, osteopontiini, periostiini ja pleiotropiini. Edellä mainittujen proteiinien lisäksi osteoprotegeriinin ja trombospondiinien 1-4 ilmentymistä tutkittiin kalkkiuttavan aorttaläppävian eri kehitysvaiheissa. Aorttaläpät oli kerätty tekoläppäleikkauspotilailta. Sydämessä MGP:n ilmentyminen lisääntyi kaikissa muissa paitsi munuaisten vajaatoiminnan koemallissa. Angiotensiini II nosti MGP:n ilmentymistä sydänlihassoluissa ja sidekudossoluissa. Periostiinin ilmentyminen lisääntyi sydämen uudelleenmuovautumisessa, muttei aorttaläppäviassa. Lisäksi munuaisten vajaatoiminnan aiheuttama periostiinin ilmentymisen muutos sydämessä liittyi sekä sydämen kasvuun, verenpaineen nousuun että muiden sidekudosta muokkaavien proteiinien ilmentymiseen. Luun sialoproteiinin ja osteopontiinin ilmentymiset erosivat toisistaan erilaisissa sydämen vajaatoiminnan malleissa, mutta aorttaläpissä niiden molempien ilmentyminen oli suhteessa läpän kalkkiutumiseen. Osteoprotegeriinin geenin ilmentyminen lisääntyi kalkkiutuneissa aorttaläpissä vaikkakin proteiinin määrä pysyi vähäisenä. Luun morfogeneettisten proteiinien ilmentyminen oli alentunut sairaissa läpissä, muttei sydämessä munuaisten vajaatoiminnan aikana. Aorttaläpissä ilmennettiin kaikkia trombospondiineita, joista trombospondiini-2:n ilmentyminen kasvoi sairaissa aorttaläpissä. Kalkkiutuneissa läpissä solunsisäinen Akt/NF-κB–signaalinvälitysjärjestelmä oli vaimentunut. Tutkimus osoittaa, että soluväliaineen proteiinien ilmentymistä säädellään eri tavoin sydämen vajaatoiminnassa ja aorttastenoosissa kudoksen uudelleenmuovautumisprosessin aikana.

Le syndrome de Marfan (MFS) est une maladie génétique rare. Les signes cliniques sont principalement squelettiques, oculaires et cardiovasculaires. Le premier gène identifié est FBN1. Une LSDB UMD créée en 1995 a permis de colliger les mutations identifiées chez les patients. D’autres gènes ont été identifiés comme causant des syndromes apparentés : FBN2, TGFBR1, TGFBR2, ACTA2, SMAD3, MYH11 et MYLK. Ma thèse avait pour but de mettre à jour ces différentes bases et de créer celles des nouveaux gènes. Les techniques de séquençage nouvelle génération dans la pratique clinique amènent des médecins non spécialistes à rapporter des variations secondaires dans ces gènes « actionable ». Il s’agit de la ressource la plus complète pour les cliniciens et les généticiens pour interpréter les variants associés au MFS et ses pathologies associées pour les variants primaires et secondaires.La bicuspidie de la valve aortique (2 feuillets au lieu de 3) est la malformation cardiovasculaire la plus fréquente touchant 0,6 à 2 % de la population. Ma thèse avait pour but d’identifier de nouveaux gènes impliqués dans la BAV. Grâce à une cohorte de 200 patients, le gène HOXA1, un facteur de transcription, a pu être examiné de manière plus approfondie. Alors qu’il contient une répétition de 10 histidines, les individus hétérozygotes mutés en présentent 11. Mes études ont permis de démontrer l’imputabilité de cette mutation. Dans un second temps, un séquençage d’exomes entiers a permis de mettre en évidence de nouveaux variants prédits pathogènes. Ces données permettront de mieux comprendre le rôle physiologique d’HOXA1 et des nouveaux gènes candidats dans la pathogénèse de la BAV chez l’humain. / Marfan Syndrome is a rare genetic disorder. Clinical signs are mainly skeletal, ocular and cardiovascular. The first gene identified is FBN1. A LSDB UMD was created in 1995 to colligate all the mutations identified in. Thereafter, several others genes were identified involved in related disorders : FBN2, TGFBR1 and TGFBR2, ACTA2, SMAD3, MYH11 and MYLK. The objectives of my PhD were to update these databases and to create new ones for genes. Next generation sequencing in clinical practice leads non-specialized doctors to report pathogenic secondary variants in “actionable” genes. Our databases are the only resources providing access to the full spectrum of known pathogenic mutations with checked and interpreted data from many reference diagnostic laboratories and research centers worldwide, and the most comprehensive resources for clinicians and geneticists to interpret variations linked to Marfan syndrome and related disorders not only primary but also secondary variants.Bicuspid Aortic Valve is the most common cardiovascular malformation affecting 0.6-2% of the population (2 leaflets instead of 3). Thanks to a cohort of 200 BAV patients, HOXA1 gene, a transcription factor, has been screened. While HOXA1 contains a string of 10 histidine repeats, these individuals are heterozygous for an 11 histidine repeat variant. My studies showed the imputability of this mutation. In a second phase, whole exome sequencing allow us to highlight new variants predicted pathogenic. Studies are still ongoing to confirm their imputability. These data contribute to our better understanding of the physiological of HOXA1 and new candidate genes in the pathogenesis of BAV disease in humans.

Com o aumento da expectativa de vida nas últimas décadas, tem ocorrido aumento concomitante da prevalência da estenose aórtica degenerativa e da doença aterosclerótica arterial coronária. O presente estudo visa avaliar a influência da doença ateroslerótica arterial coronária crítica na mortalidade hospitalar de pacientes portadores de estenose aórtica submetidos à substituição valvar isolada ou combinada à revascularização do miocárdio. No período de janeiro de 2001 a março de 2006, no Instituto do Coração do Hospital das Clínicas da Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo, foram analisados 448 pacientes submetidos à substituição valvar aórtica isolada (grupo GI) e 167 pacientes submetidos à substituição valvar aórtica combinada à revascularização do miocárdio (grupo GII). Os dados pré-operatórios eleitos para análise foram: sexo, idade, índice de massa corpórea, antecedentes de: acidente vascular cerebral, diabete melito, doença pulmonar obstrutiva crônica, febre reumática, hipertensão arterial sistêmica, endocardite, infarto agudo do miocárdio, tabagismo, fração de ejeção do ventrículo esquerdo, doença aterosclerótica arterial coronária crítica, fibrilação atrial crônica; operação valvar aórtica prévia (conservadora), classe funcional de insuficiência cardíaca congestiva, valor sérico de creatinina e de colesterol total, tamanho da prótese utilizada, extensão (completa ou incompleta) e número de anastomoses distais da revascularização do miocárdio, tempo de circulação extracorpórea e tempo de pinçamento aórtico. No estudo estatístico empregou-se análise univariada (teste Qui-Quadrado e teste t de Student) e multivariada (regressão logística) para avaliação da influência da doença aerosclerótica arterial coronária crítica na mortalidade hospitalar dos dois grupos estudados. No grupo GI (substituição valvar aórtica isolada), a mortalidade hospitalar foi 14,3% (64 óbitos), sendo 14,5% (58 óbitos) nos pacientes sem doença aterosclerótica arterial coronária crítica associada (grupo GIB) e 12,8% (6 óbitos) nos que apresentavam essa associação (grupo GIA). No grupo GII (substituição valvar aórtica combinada à revascularização do miocárdio), a mortalidade hospitalar foi 17,6% (29 óbitos), sendo 16,1% (20 óbitos) nos pacientes submetidos à substituição valvar aórtica combinada à revascularização completa do miocárdio (grupo GIIA) e 20,9% (9 óbitos) nos com revascularização incompleta do miocárdio (grupo GIIB). Nos pacientes submetidos à substituição valvar aórtica isolada, a presença de doença aterosclerótica arterial coronária crítica associada, em pelo menos duas artérias, influenciou a mortalidade hospitalar (p= 0,016). Nos pacientes submetidos à substituição valvar aórtica combinada à revascularização do miocárdio, o número de artérias coronárias com doença aterosclerótica crítica e a extensão da revascularização do miocárdio realizada não influenciaram a mortalidade hospitalar (p>0,05), mas a realização de mais de três anastomoses distais influenciou (p= 0,03). / With the increase in life expectancy in recent decades has occurred concomitant increase in the prevalence of degenerative aortic stenosis and atherosclerotic coronary artery disease. This study aim to evaluate the influence of critical atherosclerotic coronary artery disease in hospital mortality of patients with aortic stenosis underwent isolated valve replacement or combined coronary artery bypass grafting. In the period of january 2001 to March 2006, at the Heart Institute University of Sao Paulo Medical Center were examined 448 patients underwent isolated aortic valve replacement (GI group) and 167 patients underwent combined aortic valve replacement and coronary artery bypass grafting (GII group). Preoperative data analised were: sex, age, body mass index, history of stroke, diabetes mellitus, chronic obstructive pulmonary disease, rheumatic fever, hypertension, endocarditis, myocardial infarction, smoking, chronic atrial fibrillation. Left ventricular ejection fraction, concomitant critical atherosclerotic coronary artery disease, previous surgical aortic valvuloplasty, congestive heart failure functional class, serum creatinine and cholesterol level, aortic valve prosthesis size, concomitant complete or incomplete coronary artery bypass grafting and number of bypass grafts, cardiopulmonary bypass and aortic cross clamping time. Univariate statistical analysis (Chi-square and Student\'s t test) and multivariate (logistic regression) were used to evaluate the influence of critical atherosclerotic coronary artery disease in hospital mortality of two groups. GI group (isolated aortic valve replacement) hospital mortality was 14.3% (64 deaths), and 14.5% (58 deaths) in patients without associated critical atherosclerotic coronary artery disease (GIB group) and 12.8% (6 deaths) in patients with that association (GIA group). GII group (combined aortic valve replacement and coronary artery bypass grafting) hospital mortality was 17.6% (29 deaths), and 16.1% (20 deaths) in patients underwent combined aortic valve replacement and complete coronary artery bypass grafting (GIIA group) and 20.9% (9 deaths) in patients with combined incomplete coronary artery bypass grafting (GIIB group). In patients underwent isolated aortic valve replacement, associated critical atherosclerotic coronary artery disease, of at least two arteries, influenced hospital mortality (p = 0016). In patients underwent combined aortic valve replacement and coronary artery bypass grafting, the number of coronary arteries with critical atherosclerotic disease and coronary artery bypass grafting extension didnt influenced hospital mortality (p> 0.05), but more than three coronary distal anastomoses influenced the hospital mortality (p = 0.03).

Introdução: O papel do sistema nervoso simpático (SNS) na remodelação ventricular esquerda na insuficiência aórtica crônica (IAo) é pouco conhecido. O aumento da atividade do SNS tem associação com remodelamento ventricular e mau prognóstico na insuficiência cardíaca (IC) não valvar, fazendo do seu bloqueio farmacológico importante conduta terapêutica. A despeito de similaridades na evolução clínica da IAo com IC não valvar, não há estudos com mensuração direta da atividade do SNS em IAo. Objetivo: Quantificar a atividade nervosa simpática muscular (ANSM) em pacientes com IAo importante em três situações clínicas, representativas da história natural dessa doença. Métodos: Trata-se de estudo transversal, unicêntrico, incluindo 30 pacientes com IAo importante que foram alocados em três grupos: (I) assintomáticos (n = 10, 70% homens, 37,4 ± 13,6 anos), (II) sintomáticos em pré-operatório de troca de valva aórtica (TVA) (n = 10, 70% homens, 42,2 ± 12,1 anos) e (III) - pós-operatório de TVA (n = 10, 80% homens, 41,2 ± 15,4 anos). Grupo controle formado por voluntários saudáveis sem doença cardíaca estrutural (n = 10) correspondentes para idade, sexo e IMC também foram avaliados. Variáveis clínicas, ecocardiográficas e BNP (peptídeo natriurético atrial) foram analisadas nos grupos. Apenas a pressão arterial sistólica era significativamente menor no grupo III. A ANSM foi mensurada utilizando a técnica padrão de microneurografia muscular (MM). A variável desfecho foi a Resumo média do número de espículas obtidas num registro contínuo de 10 minutos de MM. Resultados: Os grupos IAo não diferiram em relação às características demográficas, antropométricas e ecocardiográficas, assim como etiologia e BNP. A média de espículas obtidas pela MM, representativa da ANSM, nos grupos I, II, III e controle foi, respectivamente, 25,5 ± 4,1, 25,1 ± 3,6, 28,6 ± 6,5 e 15,6 ± 1,5 (p=0,001). Houve apenas diferença estatística entre os grupos IAo e o grupo controle. Conclusão: Houve aumento significativo da ANSM em pacientes com IAo importante associado ao remodelamento ventricular esquerdo em relação a indivíduos sem doença cardíaca estrutural. A ANSM foi similar em pacientes com IAo importante assintomáticos, sintomáticos e em pós-operatório de TVA. A participação da ação do SNS na IAo deve estar associada ao remodelamento ventricular, mas sem correlação com mudanças clínicas / Introduction: The role of sympathetic nervous system (SNS) in the left ventricle remodeling of severe aortic regurgitation (AR) remains poorly understood. The increase in SNS activity is associated with ventricular remodeling and poor prognosis in non-valvular heart failure (HF), making its pharmacological blockade an important therapeutic approach. Despite similarities in the clinical evolution of AR with non-valvular HF, there are no studies with direct measurement of SNS activity in AR. Aims: The present study aimed to quantify muscular sympathetic nervous activity (MSNA) in patients with severe AR in three clinical situations: asymptomatic, symptomatic before aortic valve replacement (AVR), and patients submitted to AVR. Methods: Thirty patients with severe AR were allocated to three groups: (I) asymptomatic patients (n=10, 70% men, age: 37.4 ± 13.6), (II) symptomatic patients before AVR (n=10, 70% men, age: 42.2 ± 12.1), and (III) patients submitted to AVR (n=10, 80% men, age: 41.2 ± 15.4). Healthy volunteers (n = 10) matched for age, sex, and BMI were also assessed. The AR groups did not differ in relation to etiology, demographic, anthropometric or echocardiographic data. Only systolic blood pressure was significantly lower in group III. MSNA was recorded using microneurography, with a spike per minute result. Results: The means of 10-minute recordings in groups I, II, III and control were 23.2 ± 6.4, 25.5 ± 4.1, 25.1 ± 3.6 and 15.6 ± 1.5, respectively (p=0.001). Only the AR and control groups differed from each other. Conclusions: AR is associated with relatively higher SNS activity, which is similar across different stages of the disease (asymptomatic, symptomatic and postoperative). The role of the SNS in AR must be associated with ventricular remodeling, but without correlation with clinical change

INTRODUÇÃO: Avaliação da função diastólica de pacientes portadores de estenose ou insuficiência aórtica submetidos à troca valvar. OBJETIVOS: Avaliação da função diastólica através da análise do NTpró-BNP como método não invasivo para caracterização da insuficiência cardíaca diastólica, comparando com os dados ecocardiográficos através do Doppler Pulsado em Fluxo Mitral, Doppler Pulsado em Veias Pulmonares e Doppler Tecidual em portadores de IAO e EAO. MÉTODOS: Foram avaliados 63 pacientes, 32 pacientes com IAO (25 pacientes do sexo masculino e 7 do sexo feminino), 31 pacientes com EAO (11 pacientes do sexo masculino e 20 pacientes do sexo feminino). As variáveis foram comparadas na média entre os pacientes portador de IAO e EAO no pré e pós-operatório. RESULTADOS: A idade dos pacientes variou de 21 a 81 com média de 55 anos. Observa-se diferença quanto à média de idades entre as diferentes patologias (t-Student p< 0,0001). Os pacientes com IAO apresentam uma média de idade igual a 45,7±14,3 com variação entre 21 e 79 anos e os pacientes com EAO apresentam uma média de idade igual a 61,5±14,7 com variação entre 21 e 81 anos. Na IAO em relação à disfunção diastólica tivemos os seguintes dados com significância estatística do pré para o pós-operatório (6 meses): TRIV (p=0,0011), diferença entre Tempo de onda A mitral e onda A pulmonar (p=0,0097), Vol. Sistólico de AE (p=0,0019), Vol Sistólico de AE Indexado (0,0011), Vol. Diastólico de AE (p=0,0110), DDVE (p<0,0001), DSVE (p<0,0001), VSF (p<0,0001), VDF (p<0,0001), Massa Indexada de VE (p<0,0001) e Relação Volume/Massa do VE (p<0,0001). Na EAO em relação à disfunção diastólica tivemos os seguintes dados com significância estatística do pré para o pós-operatório (6 meses): E/E (p=0,0379), TRIV (p=0,0072), diferença entre o tempo de onda A mitral e tempo de onda A pulmonar (p=0,0176), Vol sistólico de AE(p=0,0242), Vol. Sistólico de AE indexado (p=0,0237), FEdeAE (p=0,0339), DDVE (p=0,0002), DSVE (p=0,0085), VDF (p=0,0194), Massa Indexada de VE (p<0,0001) e Relação Volume/Massa de VE(p<0,0001). O NTpró-BNP se correlacionou positivamente com os diversos graus de disfunção diastólica tanto no pré como pós-operatório CONCLUSÃO: Foram verificados no estudo da função diastólica variação com significância estatística tanto na IAO como na EAO na comparação do pré e o pós-operatório. Da mesma forma notamos variação do NT-proBNP com correlação com as variáveis ecocardiográficas que caracterizam a disfunção diastólica. / INTRODUCTION: Assessment of diastolic function in patients with aortic stenosis or aortic regurgitation waiting for aortic valve replacement. OBJECTIVE: Assesment of diastolic function with Doppler methods:Doppler signals from transvalvar mitral inflow, tissue Doppler imaging (TDI) and Doppler in pulmonary veins(DPV) correlating with serum brain peptide natriuretic (NTproNP) before and 6 months after aortic valve replacement (AVR). METHODS: We have analyzed 63 patients, 32 with AR (25 males and 7 females), 31 AS (11 males and 20 females).The indices were compared with AS and AR before and after AVR. RESULTS: The ages of patients ranged from 21 to 81 mean age was 55 years old.We have seen difference between mean age of AS and AR (t-Student-p<0.0001). Patients with AR have had mean age 45.67 plus/minus 14.28, range 21 to 79 years old and patients with AS have had mean age 61.50 plus/minus 14.72, range 21 to 81 years old. The patients who had AR the indices showed differences: Isovolumetric Relaxation Time IRT(p=0.0011), Diference between the pulmonary A wave duration and mitral A duration (p=0.0097), Left Atrial Systolic Volume (p=0.0019), Left Atrial Systolic Volume Index(p=0.0011), Left Atrial Diastolic Volume (p=0.0110), Left Ventricular Diastolic Diameter (p<0.0001), Left Ventricular Systolic Diameter (p<0.0001), End Systolic Volume (p<0.0001), End Diastolic Volume (p<0.0001), Left Ventricular Mass Index (p<0.0001) and Left Ventricular Volume and Left Ventricular Mass Index ratio (p<0.0001). Analyzing patients with AS the indices who showed differences: (The ratio of mitral velocity to early diastolic velocity of the mitral annulus) E/E (p=0.0379)(Isovolumetric Relaxation Time)(p=0.0072) IRT, Diference between the pulmonary A wave duration and mitral A duration (p=0.0176), Left Atrial Sistolic Volume (p=0.0242), Left Atrial Systolic Volume Index (p=0.0237), Left Atrial Ejection Fraction (p=0.0339) Left Ventricular Diastolic Diameter (p=0.0002), Left Ventricular Systolic Diameter (p=0.0085), End Diastolic Volume (LVEDV) (p=0.0194), Left ventricular Mass Index(p<0.0001), Left Ventricular Volume and Mass Index Ratio (p<0.0001). CONCLUSIONS: As we studied diastolic function we have verified significant statistic variation in aortic regurgitation and aortic stenosis comparing before and after aortic valve replacement. Likewise we have seen there is correlation between NTproBNP and echocardiographic variables that show diastolic dysfunction.

Introduction and Objectives Calcific aortic valve disease (CAVD) is the most common valvular disease, accounting for 50% of all valve disorders and is the third most common cardiovascular disease following coronary disease and hypertension.[1,2] Currently, there is no pharmacological agent capable of reversing or slowing down the progression of CAVD and treatment of severe cases consists of surgical repair or valve replacement[2]. Hence, there is a crucial need for earlier detection using predictive biomarkers that will allow for preventative intervention as opposed to post-symptomatic disease treatment or management. Namely, one target of particular interest is the expression of matrix metalloproteinases (MMPs) (specifically MMP-1, -2, and -9) which are upregulated in CAVD prior to calcification events and have been previously shown to serve as an attractive molecular imaging target.1–3 The primary objective of this study is to assess the feasibility of detecting biomarkers of CAVD by various in vivo imaging modalities, such as PET and echocardiography. In addition, this study assesses disease progression in various mouse strains to qualify an appropriate CAVD animal model. Methods In vivo and ex vivo imaging of C57Bl/6 and ApoE-/- (n = 8 per strain cohort) mouse models are used to link unique features of matrix remodelling with CAVD progression. At baseline and longitudinal follow-up (4, 8, and 12 months), in vivo hemodynamic impairment is assessed through echocardiography, and calcification and MMP activity are measured using PET with a series of radiotracers: [18F]NaF for calcification, [18F]BR351 for the molecular targets of MMP-2 and -9, and [18F]FMBP with molecular target specificity for MMP-13. Following imaging, aortic valve (AV) tissue is harvested, sectioned, and analyzed for calcification, inflammatory markers, collagen types, and MMP activity in AV leaflets. Tracer autoradiography, immunofluorescence, and in situ zymography are used to confirm in vivo imaging results with improved resolution and quantification in valves. Histological sample preparation, experimentation, and analyses are then repeated in human AV tissue samples for relative comparison of biomarker expression in animal models. Results Echocardiography suggests positive signs of disease progression in experimental animal models. In comparison to WT, ApoE-/- mice show: increased peak velocity (p<0.0001), decreased aortic valve area (p<0.001), and irregular valve dynamics. [18F]NaF PET imaging shows expected bone uptake and low calcium-burden in young and WT animals. [18F]FMBP shows increased uptake in the valve area of diseased models at later timepoints, 1.530 compared to <0.001 %ID/g (p<0.005), in disease vs control animals respectively. Furthermore, confirmation of sought-after biomarkers has also been assessed by analysis of various histological sample preparations including the presence of leaflet calcification, upregulation of MMP-2, -9, and -13, matrix remodelling, lipids, inflammatory markers, and activated MMP expression. Conclusion Findings from this study suggest that molecular imaging techniques using target-specific radiotracers, as well as echocardiography for assessment of hemodynamic impairment, are feasible solutions in predicting disease onset in CAVD specific animal models.

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Eine Verengung der Aortenklappe, die während der Systole zu einem Druckunterschied zwischen dem linkem Auswurftrakt und der Aorta führt, wird als Aortenstenose bezeichnet. Sie stellt nach der KHK die häufigste Indikation für eine herzchirurgische Intervention dar. Die Entstehung der Aortenstenose ist bisher nicht völlig aufgeklärt. Die Verengung ist meist durch Verkalkung der Klappensegel bedingt. Der derzeitige Stand der Forschung gibt Grund zur Annahme, dass dieser Entstehungsprozess der Ätiologie der Arteriosklerose sehr ähnlich ist. Die Aortenstenose kann anhand der Aortenklappen-Öffnungsfläche in leicht-, mittel- und hochgradig eingeteilt werden. Zurzeit ist die Echokardiographie die wichtigste Methode zur Evaluation der Aortenstenose, weil damit die Öffnungsfläche und die Druckgradienten bestimmt werden können. Für die Entscheidung zur Operation ist insbesondere auch das Einsetzen der Symptomatik mitbestimmend. Der konventionelle Aortenklappenersatz mit einer biologischen oder mechanischen Aortenklappenprothese ist der Goldstandard in der heutigen Therapie der Aortenstenose. Patienten höheren Alters erhalten heutzutage eine biologische Aortenklappenprothese, da keine dauerhafte Antikoagulation notwendig ist. Bei älteren Patienten (über 70 Jahre) steigt die postoperative Mortalität auf 5-15% an. In Deutschland waren 2010 über 50% der herzchirurgischen Patienten älter als 70 Jahre und 12,4% sogar über 80 Jahre. Laut einer Studie werden 33% der über 75-Jährigen nicht zur Operation zugelassen, da diese als zu risikoreich eingestuft wird. Um dieses Patientenkollektiv besser zu versorgen, wurde ein Verfahren zur kathetergestützten Implantation einer Aortenklappenprothese entwickelt. Die neue Prothese wird auf einen Ballonkatheter gepresst und anschließend in Aortenposition dilatiert. Die Implantation kann durch die Herzspitze antegrad, also transapikal, oder über die femoralen Gefäße retrograd, also transfemoral, erfolgen. Eine Sternotomie oder die Verwendung einer Herz-Lungenmaschine mit künstlichem Herzstillstand sind dazu nicht notwendig. Die in dieser Arbeit verwendete Sapien-Prothese besteht aus vorbehandeltem Rinderperikard und ist in einem Kobalt-Chrom-Stent aufgehängt. Bereits 2010 wurden in Deutschland schon fast ein Viertel aller isolierten Aortenklappenersätze mittels der kathetertechnischen Aortenklappenprothesen durchgeführt, 2011 ist der Anteil auf über 30% gestiegen. Der Einsatz ist im Moment auf Hochrisikopatienten über 75 Jahre beschränkt, da es noch keine Ergebnisse über die Langzeithaltbarkeit der Katheter-Herzklappen gibt. Außerdem scheint die Häufigkeit von periinterventionellen Komplikationen bei diesem Verfahren noch sehr hoch. Ganz im Gegensatz zur schonenden Behandlung der Prothese beim konventionellen Eingriff wird die Sapien-Herzklappenprothese durch einen Crimper auf den Ballonkatheter gepresst. Der Durchmesser wird dabei von 23 bzw. 26mm auf unter 8,7mm verringert. Nur so kann die Prothese über das zum Studienzeitpunkt 26 French große Applikationssystem in Position gebracht werden. Mittlerweile beträgt der Diameter für den transfemoralen Zugang nur noch 18 French. Bisher gibt es keine Studien darüber, ob die Krafteinwirkung des Crimping einen Einfluss auf die Langzeithaltbarkeit der Transkatheter-Herzklappen hat. Dabei ist gerade eine lange Haltbarkeit enorm wichtig, um das neue minimalinvasive System einem größeren Patientenkollektiv zugänglich zu machen. Ziel der hier vorgelegten Studie war es deshalb, den Einfluss von Crimping auf die Haltbarkeit und Gewebeintegrität der Edwards Sapien-Prothese in Abhängigkeit von der Crimping-Dauer zu untersuchen. Dazu kam ein subkutanes Rattenmodell zur Anwendung, das zum Vergleich verschiedener Herzklappenprothesen häufig herangezogen wird. Hierbei wird vor allem das Verkalkungspotential der Prothesen untersucht, da die Verkalkung der Klappen die Funktionalität derselben limitiert. Hierfür wurden in dieser Arbeit 21 Tage alten Sprague-Dawley-Ratten (n=15) jeweils fünf Gewebeproben in separate subkutane Taschen implantiert. Nach einem Implantationszeitraum von zwölf Wochen gingen wir von der maximal möglichen Verkalkung aus. Im Menschen entspricht das einem Zeitraum von etwa zehn Jahren. Drei Gruppen á fünf Sapien-Prothesen wurden unterschiedlich lange gecrimpt: für einen Monat, einen Tag und eine Stunde. Eine vierte Gruppe wurde nicht gecrimpt. Die fünfte Gruppe bestand aus der operativ häufig verwendeten Standardklappe Perimount Magna und wurde als Kontrolle eingesetzt. Die Klappensegel wurden nach Crimping und Dilatation exzidiert (je Gruppe n=15) und unter inhalativer Anästhesie wurde jeder Ratte ein Präparat aller fünf Gruppen in subkutane separate Taschen faltenfrei implantiert. Die Taschen wurden dorsal paravertebral durch stumpfe Präparation angelegt. Die Implantation erfolgte bei allen 15 Tieren komplikationslos. Nach zwölf Wochen erfolgte die Explantation. Ein Präparat der für einen Tag gecrimpten Prothesen und eines der Kontrollgruppe Magna konnten nicht aufgefunden werden. Ansonsten ergaben sich bei der Explantation keine Schwierigkeiten. Zur Bestimmung des Kalziumlevels im Serum wurde den Ratten eine Blutprobe abgenommen. Die explantierten Präparate wurden dann zur Analyse in drei Teile geschnitten. Ein Teil wurde der Kalziumbestimmung durch optische Emissionsspektroskopie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-OES) zugeführt. Das Ergebnis wird in mg/g Trockengewicht angegeben. Der zweite Teil wurde für die histologische Untersuchung in Paraffin eingebettet. Es wurden Standardschnitte angefertigt und drei Färbungen pro Präparat durchgeführt. Dies waren die Hämatoxylin-Eosin-Färbung (Orientierung), die Van Kossa-Färbung (Verkalkung) und die mod. Pikrosiriusrot-Färbung (kollagene Fasern). Der Kalziumgehalt der Präparate wurde zusätzlich zur chemischen Bestimmung histologisch durch ein interaktives Bildanalyseverfahren in mm2 gemessen. Die Fragmentierung und Irregularität der Kollagenfasern wurde histologisch in vier Grade eingestuft: ohne pathologischen Befund, gering-, mittel- oder hochgradig fragmentiert bzw. irregulär. Ein weiterer Teil der Präparate wurde für die exemplarische Darstellung im Elektronenmikroskop in Epon 100 eingebettet und mit Uranylacetat und Tannin kontrastiert. Die Kalziummessungen ergaben, dass die ungecrimpten Klappen Sapien und Perimount Magna tendenziell stärker verkalkten als die anderen Gruppen. Die Unterschiede zwischen den Gruppen waren jedoch nicht signifikant, sowohl bei der histologischen als auch bei der chemischen Quantifizierung. Die Streuung der Messwerte war sowohl intra- als auch interindividuell sehr hoch. Die Bedeutung für die Langzeithaltbarkeit bezüglich der Kalzifizierung ist unklar. Jedoch kann festgestellt werden, dass es in dieser Studie keinen signifikant messbaren Unterschied in der Verkalkung zwischen gecrimpten und ungecrimpten Prothesen gab. In der histologischen Strukturanalyse waren die Kollagenfasern der gecrimpten Klappen signifikant stärker fragmentiert bzw. die Struktur irregulärer als die der ungecrimpten Klappen. Erstaunlich war hier auch die Tatsache, dass selbst die ungecrimpte Sapien-Prothese signifikant stärker fragmentiert war als die Perimount Magna. Dieses Ergebnis überrascht, da die Sapien-Klappe der Perimount Magna im Produktionsprozess sehr ähnlich ist. Beide bestehen aus Rinderperikard und sind mit dem Antimineralisationsverfahren ThermaFix vorbehandelt. Sie unterscheiden sich lediglich im Stent. Dieser muss für das kathetergestützte Verfahren komprimierbar und wieder dilatierbar sein. Der Produktionsprozess sollte auf Grund dieses Ergebnisses reevaluiert werden. Wie bereits erwähnt, waren die gecrimpten Klappen signifikant stärker fragmentiert. Mit zunehmender Crimping-Dauer nahm dieser Effekt tendenziell sogar zu. Dass Crimping einen schädlichen Einfluss auf die strukturelle Integrität des Klappengewebes hat, war bis dato nicht bewiesen. Diese Tatsache allein lässt allerdings noch keine genaue Aussage über die Auswirkung von Crimping auf die Haltbarkeit im Blutstrom zu. Es ist jedoch hervorzuheben, dass die Fragmentierung der Kollagenfasern, also der Haltefasern der Aortenklappenprothese, die Erwartung einer guten Langzeitfunktionalität drastisch mindert. Dazu gibt es Hinweise aus aktuellen multizentrischen Studien wie dem Partner-Trial, in dem bereits nach 30 Tagen 1,3% und nach einem Jahr 4,2% der Patienten eine mittel- bis schwergradige transvalvuläre Aorteninsuffizienz aufwiesen. Diese Tatsache verbunden mit dem Wissen, dass Crimping die Kollagenfasern frakturiert, stellt die Langzeithaltbarkeit der Prothese in Frage. Zu beachten ist, dass der Diameter des Systems in diesem Versuchsaufbau keine Rolle spielte. Seit Beginn der Studie hat sich der Diameter des Applikationssystems aber von 26 auf 22 French (transfemoral sogar nur 18 French) verringert. Es ist anzunehmen, dass die Krafteinwirkung beim Crimping auf 22 bzw. 18 French noch deutlich größer und damit die Fragmentierung der Fasern noch ausgeprägter wäre. Als Limitationen des hier angewandten subkutanen Rattenmodells sind der fehlende Kontakt mit dem Blut sowie die fehlende Wirkung hämodynamischer Kräfte zu nennen. Es handelt sich hierbei um einen Tierversuch, der nicht direkt auf den Menschen übertragbar ist. Für histologische und chemische Analyse mussten jeweils unterschiedliche Teile der Präparate verwendet werden. Die histologische Beurteilung ist untersucherabhängig. In diesem Versuchsaufbau wurde lediglich ein Prothesen-Typ untersucht, so dass nicht klar ist, ob die beschriebenen Phänomene auch bei anderen kathetertechnischen Herzklappenprothesen auftreten. Die Ergebnisse liefern neue Gesichtspunkte im Hinblick auf die Haltbarkeit der Sapien-Klappenprothese. Daraus lassen sich einige Empfehlungen ableiten. Crimping verursacht einen irreparablen Schaden an den Kollagenfasern der Herzklappenprothesen, der tendenziell mit der Dauer des Crimpings zunimmt. Der Vorgang des Crimping sollte daher so kurz wie möglich gehalten werden. Die kathetergestützte Aortenklappenprothese sollte erst kurz vor der Implantation auf den Ballonkatheter gecrimpt werden. Crimping auf sehr kleine Diameter sollte vorerst vermieden werden. Künftig sollte außerdem eine genauere Analyse der Auswirkungen der strukturellen Schäden auf die Haltbarkeit der Transkatheter-Herzklappen durchgeführt werden. Vor der Ausweitung der Behandlung auf ein Patientenkollektiv mit höherer Lebenserwartung müssen noch viele Fragen hinsichtlich der Langzeithaltbarkeit dieser Herzklappen-Prothesen in weiteren Studien geklärt werden.

Development of image-guided interventional systems is growing up rapidly in the recent years. These new systems become an essential part of the modern minimally invasive surgical procedures, especially for the cardiac surgery. Transcatheter aortic valve implantation (TAVI) is a recently developed surgical technique to treat severe aortic valve stenosis in elderly and high-risk patients. The placement of stented aortic valve prosthesis is crucial and typically performed under live 2D fluoroscopy guidance. To assist the placement of the prosthesis during the surgical procedure, a new fluoroscopy-based TAVI assistance system has been developed. The developed assistance system integrates a 3D geometrical aortic mesh model and anatomical valve landmarks with live 2D fluoroscopic images. The 3D aortic mesh model and landmarks are reconstructed from interventional angiographic and fluoroscopic C-arm CT system, and a target area of valve implantation is automatically estimated using these aortic mesh models. Based on template-based tracking approach, the overlay of visualized 3D aortic mesh model, landmarks and target area of implantation onto fluoroscopic images is updated by approximating the aortic root motion from a pigtail catheter motion without contrast agent. A rigid intensity-based registration method is also used to track continuously the aortic root motion in the presence of contrast agent. Moreover, the aortic valve prosthesis is tracked in fluoroscopic images to guide the surgeon to perform the appropriate placement of prosthesis into the estimated target area of implantation. An interactive graphical user interface for the surgeon is developed to initialize the system algorithms, control the visualization view of the guidance results, and correct manually overlay errors if needed. Retrospective experiments were carried out on several patient datasets from the clinical routine of the TAVI in a hybrid operating room. The maximum displacement errors were small for both the dynamic overlay of aortic mesh models and tracking the prosthesis, and within the clinically accepted ranges. High success rates of the developed assistance system were obtained for all tested patient datasets. The results show that the developed surgical assistance system provides a helpful tool for the surgeon by automatically defining the desired placement position of the prosthesis during the surgical procedure of the TAVI. / Die Entwicklung bildgeführter interventioneller Systeme wächst rasant in den letzten Jahren. Diese neuen Systeme werden zunehmend ein wesentlicher Bestandteil der technischen Ausstattung bei modernen minimal-invasiven chirurgischen Eingriffen. Diese Entwicklung gilt besonders für die Herzchirurgie. Transkatheter Aortenklappen-Implantation (TAKI) ist eine neue entwickelte Operationstechnik zur Behandlung der schweren Aortenklappen-Stenose bei alten und Hochrisiko-Patienten. Die Platzierung der Aortenklappenprothese ist entscheidend und wird in der Regel unter live-2D-fluoroskopischen Bildgebung durchgeführt. Zur Unterstützung der Platzierung der Prothese während des chirurgischen Eingriffs wurde in dieser Arbeit ein neues Fluoroskopie-basiertes TAKI Assistenzsystem entwickelt. Das entwickelte Assistenzsystem überlagert eine 3D-Geometrie des Aorten-Netzmodells und anatomischen Landmarken auf live-2D-fluoroskopische Bilder. Das 3D-Aorten-Netzmodell und die Landmarken werden auf Basis der interventionellen Angiographie und Fluoroskopie mittels eines C-Arm-CT-Systems rekonstruiert. Unter Verwendung dieser Aorten-Netzmodelle wird das Zielgebiet der Klappen-Implantation automatisch geschätzt. Mit Hilfe eines auf Template Matching basierenden Tracking-Ansatzes wird die Überlagerung des visualisierten 3D-Aorten-Netzmodells, der berechneten Landmarken und der Zielbereich der Implantation auf fluoroskopischen Bildern korrekt überlagert. Eine kompensation der Aortenwurzelbewegung erfolgt durch Bewegungsverfolgung eines Pigtail-Katheters in Bildsequenzen ohne Kontrastmittel. Eine starrere Intensitätsbasierte Registrierungsmethode wurde verwendet, um kontinuierlich die Aortenwurzelbewegung in Bildsequenzen mit Kontrastmittelgabe zu detektieren. Die Aortenklappenprothese wird in die fluoroskopischen Bilder eingeblendet und dient dem Chirurg als Leitfaden für die richtige Platzierung der realen Prothese. Eine interaktive Benutzerschnittstelle für den Chirurg wurde zur Initialisierung der Systemsalgorithmen, zur Steuerung der Visualisierung und für manuelle Korrektur eventueller Überlagerungsfehler entwickelt. Retrospektive Experimente wurden an mehreren Patienten-Datensätze aus der klinischen Routine der TAKI in einem Hybrid-OP durchgeführt. Hohe Erfolgsraten des entwickelten Assistenzsystems wurden für alle getesteten Patienten-Datensätze erzielt. Die Ergebnisse zeigen, dass das entwickelte chirurgische Assistenzsystem ein hilfreiches Werkzeug für den Chirurg bei der Platzierung Position der Prothese während des chirurgischen Eingriffs der TAKI bietet.