Le facteur Willebrand (VWF) est une proteine multimerique qui a une sensibilite unique aux forces de cisaillement et aux variations hemodynamiques du flux sanguin comme celles rencontrees lors d’utilisation de dispositifs cardiovasculaires tels qu’un remplacement valvulaire aortique transcatheter (TAVI) ou un assistance circulatoire mecanique a flux continu (ACM-FC). Des travaux anterieurs nous ont permis de mettre en evidence une secretion endotheliale declenchee par les modifications du flux liees a l’utilisation de ces dispositifs.Dans la première partie de la these, nous avons choisi d’etudier le role de la pulsatilite arterielle dans la reponse endotheliale a l’aide de plusieurs modeles animaux porcins d’ACM-FC pour isoler le role de la pulsatilite dans un environnement a forces de cisaillement elevees et constantes. Nous avons observe dans un modele dose-reponse la relation entre le niveau de pulsatilite et la multimerisation du VWF et dans un modele en cross-over le caractere dynamique du relargage endothelial en reponse a des variations aigues de pulsatilite.Ces resultats nous ont permis de conceptualiser dans la deuxième partie l'utilisation du VWF dans l’evaluation de la severite des fuites paravalvulaires (FPV) post-procedure TAVI. Deux cohortes de 183 et 201 patients ont permis de demontrer l’excellente capacite diagnostique de l’analyse multimerique du VWF avec une sensibilite, une specificite et une valeur predictive negative de respectivement 92.3%, 94.9%, et 98.7%. Le test de diagnostic rapide TO-ADP (temps d’occlusion a l’ADP) donnait des resultats equivalents pour un seuil > 180 sec.Enfin dans la troisième partie de la these nous avons concu le design d’un essai clinique permettant d’evaluer la valeur ajoutee de l’utilisation de ce test de diagnostic rapide TO-ADP en salle de catheterisme pour l’amelioration des resultats proceduraux et cliniques des procedures TAVI. / Willebrand factor (VWF) is a multimeric protein that has a unique sensitivity to shear forces and hemodynamic variations in blood flow such as those encountered when using cardiovascular devices such as transcatheter aortic valve replacement (TAVI) or continuous flow mechanical circulatory assistance (CF-CAM).

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.

Thesis (MScEng)--Stellenbosch University, 2012. / ENGLISH ABSTRACT: Bioprosthetic heart valves (BHVs) for transcatheter aortic valve implantation (TAVI) have been rapidly developing over the last decade since the first valve replacement using the TAVI technique. TAVI is a minimally invasive valve replacement procedure offering lifesaving treatment to patients who are denied open heart surgery. The biomedical engineering research group at Stellenbosch University designed a 19 mm balloon expandable BHV for TAVI in 2007/8 for testing in animal trials. In the current study the valve was enlarged to 23 mm and 26 mm diameters. A finite element analysis was performed to aid in the design of the stents. New stencils were designed and manufactured for the leaflets using Thubrikar‟s equations as a guide. The 23 mm valve was manufactured and successfully implanted into two sheep. Fluid structure interaction (FSI) simulations constitute a large portion of this thesis and are being recognized as an important tool in the design of BHVs. Furthermore, they provide insight into the interaction of the blood with the valve, the leaflet dynamics and valve hemodynamic performance. The complex material properties, pulsating flow, large deformations and coupling of the fluid and the physical structure make this one of the most complicated and difficult research areas within the body. The FSI simulations, of the current valve design, were performed using a commercial programme called MSC.Dytran. A validation study was performed using data collected from a cardiac pulse duplicator. The FSI model was validated using leaflet dynamics visualisation and transvalvular pressure gradient comparison. Further comparison studies were performed to determine the material model to be used and the effect of leaflet free edge length and valve diameter on valve performance. The results from the validation study correlated well, considering the limitations that were experienced. However, further research is required to achieve a thorough validation. The comparative studies indicated that the linear isotropic material model was the most stable material model which could be used to simulate the leaflet behaviour. The free edge length of the leaflet affects the leaflet dynamics but does not greatly hinder its performance. The hemodynamic performance of the valve improves with an increase in diameter and the leaflet dynamics perform well considering the increased surface area and length. Many limitations in the software prevented more accurate material models and flow initiation to be implemented. These limitations significantly restricted the research and confidence in the results. Further investigation regarding the implementation of FSI simulations of a heart valve using the commercial software is recommended. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Bio-prostetiese hartkleppe (Bioprosthetic Heart Valves - BHVs) wat gebruik word vir transkateter aortaklep-inplantings (Transcatheter Aortic Valve Implantation - TAVI) het geweldig vinnige ontwikkeling getoon in die afgelope tien jaar sedert die eerste klepvervanging wat van die TAVI prosedure gebruik gemaak het. TAVI is ʼn minimaal indringende klepvervangingsprosedure wat lewensreddende behandeling bied aan pasiënte wat ope-hart sjirurgie geweier word. Die Biomediese Ingenieurswese Navorsingsgroep (BERG) by Stellenbosch Universiteit het in 2007/8 ʼn 19 mm ballon-uitsetbare BHV vir TAVI ontwerp vir eksperimente met diere, en hierdie tesis volg op die vorige projekte. In die huidige studie is die klep vergroot na 23 mm en 26 mm in deursnee. ʼn Eindige element analise is gedoen om by te dra tot die ontwerp van die rekspalke vir die klep. Nuwe stensils is ontwerp en vervaardig vir die klepsuile, deur gebruik te maak van Thubrikar se vergelykings. Die 23 mm klep is vervaardig en suksesvol in twee skape ingeplant. Vloeistruktuur interaksie (Fluid Structure Interaction (FSI)) simulasies vorm ‟n groot deel van die tesis en word gesien as ʼn noodsaaklike hulpmiddel in die ontwerp van BHVs. Die simulasies verskaf ook insig in die interaksie van die bloed met die klep, die klepsuil-dinamika en die klep se hemodinamiese werkverrigting. Die komplekse materiaal eienskappe, polsende vloei, grootskaalse vervorming, die verbinding van die vloeistof en die fisiese struktuur maak van hierdie een van die mees gekompliseerde voorwerpe om te simuleer. Die FSI simulasies van die huidige ontwerp, is uitgevoer deur van kommersiële sagteware, MSC.Dytran, gebruik te maak. ʼn Geldigheidstudie wat data gebruik het vanaf die hartklop-nabootser, is uitgevoer. Die FSI model word geverifieer deur klepsuil dinamika visualisering en ʼn vergelyking van die drukgradiënt gebruik te maak. Verdere vergelykende studies is uitgevoer om te bepaal watter materiaal model om te gebruik, asook die uitwerking van die klepsuil-vrye rand en klepdeursnee op die klep se werkverrigting. Die resultate van die studie korreleer goed, in ag genome die beperkings wat ervaar is. Verdere navorsing is egter nodig vir ʼn volledige geldigheidstudie. Vergelykende studies het getoon dat die liniêre isotropiese materiaalmodel die meer stabiele materiaalmodel is wat kan gebruik word om klepsuilgedrag te simuleer. Die vrye-rand lengte van die klepsuil affekteer die dinamika van die klepsuil, maar belemmer nie die werkverrigting grootliks nie. Die hemodinamiese werkverrigting van die klep verbeter met die toename in deursnee en die klepsuil-dinamika vertoon goed in ag genome die verhoogde oppervlak area en lengte. Die vele beperkings in die sagteware het die implementering van meer akkurate materiaalmodelle verhoed. Hierdie beperkings het ʼn verminderde vertroue in die resultate tot gevolg gehad. Verdere ondersoek rakende die implementering van die FSI simulasies van ʼn hartklep deur kommersieel beskikbare sagteware te gebruik, word aanbevel.

Introduction: La procédure d'implantation de valve aortique transcathéter (TAVI) a été développée comme une alternative à la chirurgie cardiaque conventionnelle de remplacement de la valve aortique (RVA) chez des patients à plus haut risque («Society of Thoracic Surgery» (STS) ≥3%) présentant une sténose aortique sévère symptomatique. Cependant, la sélection de potentiels candidats peut demeurer un défi, en partie dû à la paucité de données sur des métriques de performance déterminées pour ce genre de procédure. Les objectifs de cette thèse étaient: 1) l'évaluation du taux de réadmissions hospitalières (une métrique importante de performance) post procédure de TAVI et l'identification des prédicteurs qui y sont associés; 2) l'évaluation de la performance de 4 marqueurs de fragilité communément utilisés comme prédicteurs de résultats cliniques précoces et tardifs chez des patients qui ont eu une procédure de TAVI et l'identification de seuils optimaux pour la stratification du risque; et 3) l'évaluation des résultats cliniques au cours des années de patients avec sténose aortique sévère symptomatique discutés par un «Heart Team» afin d'évaluer si les résultats cliniques TAVI versus RVA standard s'améliorent sur différentes périodes de temps et quelles en sont les raisons. Méthode: Une étude de cohorte rétrospective a été menée afin d'évaluer la valeur des comorbidités de base ainsi que des complications procédurales comme prédicteurs de réadmissions hospitalières précoces et tardives suivant une procédure de TAVI. L'extension de Fine et Gray des modèles de régression de Cox a été utilisée afin de considérer dans l'analyse les risques compétitifs. Quatre variables déterminantes de la fragilité (i.e., albumine sérique, le test de marche de 5 mètres, la force de préhension, et le questionnaire d'index Katz sur l'autonomie) ont été évaluées dans une seconde étude de cohorte. Les associations entre les indicateurs de fragilité et un composé d'évènements d'effets adverses majeurs ont été évaluées selon des modèles de régression logistique, avec des seuils optimaux identifiés pour chacun des indicateurs de la fragilité en utilisant la méthode statistique des courbes de ROC. Finalement, la mortalité à 30 jours et les complications post-procédurales ont été examinées chez des patients évalués en majorité par un «Heart Team» entre 2012 et 2019. Une analyse de scores de propension-appareillés a été effectuée. Résultats: Nous avons identifiés des comorbidités de base et des complications procédurales qui étaient directement associées avec des réadmissions précoces et tardives suivant une procédure de TAVI. L'anémie et un AVC post-opératoire ont été associés avec une augmentation de la mortalité. Parmi les patients à risque élevé qui vont subir un TAVI, l'albumine sérique, être autonome dans ses activités de la vie quotidienne, le test de marche de 5 mètres ont indépendamment prédit la survenue du composé d'évènements adverses à 30 jours. Un nouveau modèle de fragilité (4 indicateurs de fragilité, l'âge et le sexe) a été proposé et a démontré avoir une meilleure discrimination que le score de risque habituellement utilisé, celui de la «Society of Thoracic Surgeons (STS) ». Aussi, des seuils individuels d'augmentation du risque ont été trouvés pour chaque variable individuelle de fragilité. Finalement, une amélioration des résultats cliniques post TAVI et RVA standard a été observée au cours des années, démontrant une réduction de la mortalité à 30 jours (4,0% à 0,4%), des AVCs (2,5% à 0,9%), de l'insuffisance rénale (3.5% à 1.5%), de pneumonie (10.0% à 1.5%) et de la durée de séjour (de 7 jours à 2 jours). Nous avons identifié des complications différentes pour chacune de ces interventions et discuterons des explications possibles pour l'amélioration de ces résultats au cours des années. Conclusions: Cette thèse a identifié des métriques simples qui peuvent assister les «Heart Team» dans leur sélection de patients à plus haut risque qui présentent une sténose aortique sévère pour une procédure TAVI. Nous avons également redéfini des seuils de risque aux indicateurs de fragilité connus. Finalement, l'augmentation du nombre de procédures TAVI au cours des années, a résulté en une diminution de la mortalité et de morbidités autant chez les patients ayant eu une procédure TAVI que chirurgicale. / Objective: Transcatheter aortic valve intervention (TAVI) has emerged as an alternative to conventional surgical replacement of the aortic valve (SAVR) in high-risk patients (STS score ≥3%) with symptomatic aortic stenosis. Nevertheless, the selection of suitable candidates remains challenging, in part due to a paucity of data regarding performance metrics. The objectives of this thesis were: 1) to assess the rate of hospital readmission (an important performance metric) following TAVI and identify associated predictors; 2) to evaluate the performance of four commonly used frailty markers as predictors of early and late outcomes among patients undergoing TAVI and identify optimal cutoff values for risk stratification; and 3) to assess the clinical results over time of patients with aortic stenosis with a procedural indication who were discussed by a «Heart Team» in order to evaluate if TAVI and conventional surgical outcomes improve over different time periods and what are the reasons. Methods: A retrospective cohort study was conducted to assess the value of baseline comorbidities and procedural complications in predicting early and late hospital readmissions following TAVI. The Fine and Gray extension of Cox regression models was used to account for competing risks. Four frailty variables (i.e., serum albumin, 5-meter walk test, grip strength, and Katz index of independence) were assessed in a second cohort study. Associations between frailty indicators and a composite endpoint of major adverse events were assessed in logistic regression models, with optimal cutoff values for each frailty indicator identified using receiver-operating characteristics curves. Finally, 30-day mortality and post-procedural complications were examined in patients triaged in majority by a «Heart Team» between 2012 and 2019. A propensity-matched analysis was performed. Results: We identified baseline comorbidities and procedural complications that were directly associated with early and late readmissions following TAVI. Anemia and post-operative stroke were associated with increased mortality. Among high-risk patients undergoing TAVI, serum albumin, activities of daily living, and 5 meters walk test independently predicted the 30-day composite endpoints. A new frailty model (four frailty indicators, age, and sex) was proposed and found to provide superior discrimination compared to The Society of Thoracic Surgeons risk model. Individual frailty variable cutoff values were identified. Finally, improvement in both TAVI and conventional surgical outcomes were observed over time, with a reduction in 30-day mortality (4,0% to 0,4%), stroke (2,5% to 0,9%), renal failure (3,5% to 1,5%), pneumonia (10,0% to 1,5%), and length of stay (7 to 2 days). The two interventions (TAVI and AVR) were associated with different complications and we will discuss about the possible explanations for the improvement in outcomes. Conclusion: This thesis identified simple metrics that could assist the «Heart Team» in selecting appropriate candidates with severe symptomatic aortic stenosis for TAVI, and refined cut-off values for common frailty indicators. Finally, an increased use of TAVI over the years with broadening indications resulted in a decrease in complications and mortality in patients who received a TAVI, but also patients who received a standard AVR.

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.

Contexte: L'implantation valvulaire aortique par cathéter (TAVI) est une procédure relativement jeune dont l'objectif est de traiter les patients atteints de sténose aortique sévère pour qui la chirurgie cardiaque conventionnelle est considérée à haut risque ou contre-indiquée. Cette procédure a subi, au fil du temps, des améliorations sur le plan technologique (succession de différentes générations de prothèses valvulaires) ainsi que sur le plan technique (simplification des différentes étapes de la procédure). Objectif: L'objectif de ce travail est de décrire l'impact clinique d'une avancée technologique, soit le passage de la deuxième vers la troisième génération de la prothèse Edwards, et d'une avancée technique, soit l'implantation de la prothèse sans pré-dilatation de la valve native. Méthodes: Nous présentons d'abord, par le biais d'une revue et méta-analyse, les résultats cliniques du TAVI au début de son utilisation à plus grande échelle, en 2012. Ensuite, une étude monocentrique rétrospective dans un centre à haut volume décrit les résultats du passage de la deuxième vers la troisième génération de la valve Edwards chez 507 patients. Enfin, une étude rétrospective avec appariement a testé différentes stratégies de pré-dilatation durant la procédure: une pré-dilatation systématique, une pré-dilatation sélective chez des patients présentant des caractéristiques cliniques précises, et l'absence de pré-dilatation. Résultats: Dans l'article présentant les résultats cliniques au début de l'expérience TAVI, le taux de mortalité à 30 jours variait entre 5 et 18%. Le taux de décès à 1 an était estimé à 23% (méta-analyse, random effects model). Le taux d'AVC à 30 jours était entre 0 et 6.7% et le taux de complication vasculaire majeure entre 2 et 16%. L'étude sur le passage de la SAPIEN XT vers la SAPIEN 3 a montré une diminution non significative de la mortalité à 30 jours (de 8.7 à 3.5%; p=0.21) et des AVC à 30 jours (de 2.8 à 1.4%; p=0.6), ainsi qu'une diminution significative des complications vasculaires majeures à 30 jours (de 9.9 à 2.8%; p<0.0001). Cependant, il y a eu une augmentation significative du taux de pacemaker (de 9.8 à 17.3%; p=0.03). L'étude sur la pré-dilatation versus le direct TAVI a montré une absence d'effet adverse du direct TAVI en termes de décès ou complications vasculaires à 30 jours. Nous avons trouvé une tendance à la réduction des AVC avec le direct TAVI (3 vs. 1%; p=0.11), en particulier chez les patients avec une valve aortique peu ou modérément calcifiée. Cependant, chez les patients avec calcification extensive de la valve, le risque de malposition de la prothèse était numériquement plus élevé. Au cours des 3 études présentées, la mortalité à 1 an a peu évolué (entre 20 et 25%). Conclusions: Les événements adverses à court terme ont diminué après le changement de génération de valve Edwards. Le direct TAVI permet de simplifier la procédure sans augmenter les taux d'effets adverses. Cependant, les deux avancées présentent des limites qui incitent à la prudence. / Context: Transcatheter aortic valve implantation (TAVI) is a relatively young procedure intended to treat patients with severe aortic stenosis who are at high risk for conventional surgery, or inoperable. This procedure underwent multiple technological improvements (successive generations of devices) and multiple technical improvements (simplification of various steps in the procedure). Objective: We intend to describe the clinical impact of a technological improvement (the transition from the second to the third generation of the Edwards device in a high-volume center) and that of a technical improvement (TAVI without pre-dilatation, known as direct TAVI). Methods: We first describe, through a meta-analysis, the state of TAVI at the beginning of its widespread use, in 2012. Next, we describe, through a single-center retrospective study, the clinical impact of the transition from the second to the third generation of the Edwards device in 507 patients. Finally, in a retrospective study with matching, we tested three pre-dilatation strategies: systematic pre-dilatation, selective pre-dilatation, and direct TAVI. Results: In the article describing the initial TAVI experience, the 30-day mortality rate was between 5 and 18%. One-year mortality was estimated at 23% by meta-analysis (random effects model). Stroke rate at 30 days was between 0 and 6.7% and major vascular complication rate was between 2 and 16%. The transition from SAPIEN XT to SAPIEN 3 resulted in a non-significant reduction in 30-day mortality (from 8.7 to 3.5%; p=0.21) and 30-day stroke rate (from 2.8 to 1.4%; p=0.6), and a significant reduction in major vascular complications (from 9.9 to 2.8%; p<0.0001). However, there was a significant increase in permanent pacemaker rate (from 9.8 to 17.3%; p=0.03). Next, we found no adverse effect of performing direct TAVI in terms of mortality or vascular complications at 30 days. We found a trend towards a reduction in stroke rate with direct TAVI (3 vs. 1%; p=0.11), particularly in patients with mildly or moderately calcified valves. However, in those with extensive valvular calcification, the risk of device malposition was numerically higher. In all three studies presented, there was little variation in 1-year mortality (20 to 25%). Conclusions: Short-term adverse events were reduced by the transition towards the third-generation Edwards device. Direct TAVI is feasible and safe. However, both of these improvements have limitations and should be considered carefully.