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Seit wenigen Wochen ist es offiziell: Die Aorta kann als eigenstĂ€ndiges Organ klassifiziert werden. Durch diese neue Einstufung der Hauptschlagader empfehlen Wissenschaftler*innen, ein eigenes Fachgebiet fĂŒr die Erforschung und Behandlung der Aorta einzufĂŒhren, welches sich deutlich von der Kardiologie und der GefĂ€ĂŸchirurgie abgrenzt. Auch neue Behandlungs- und Umgangsweisen könnten sich durch diesen Schritt ergeben, die die Rupturrisikobewertung von Aortenaneurysmen erleichtern. Aortenaneurysmen sind lokale Aussackungen der Aorta, die durch eine degenerative VerĂ€nderung der Aortenwand verursacht werden und unter dem Einfluss des Blutdrucks zum Reißen der GefĂ€ĂŸwand fĂŒhren können, einem fĂŒr die Betroffenen katastrophalen Ereignis mit hoher MortalitĂ€t. Forschende der Frankfurt University of Applied Sciences (Frankfurt UAS) begrĂŒĂŸen die Einstufung als eigenstĂ€ndiges Organ, da hierdurch die interdisziplinĂ€re Betrachtung der Aorta weiter gefördert wird.

Seit mehr als zehn Jahren befassen sich Forschende des Labors fĂŒr Biomechanik der Hochschule in Zusammenarbeit mit der GefĂ€ĂŸ- und Endovascularchirurgie des Klinikums der Goethe-UniversitĂ€t Frankfurt insbesondere mit der Charakterisierung der mechanischen Materialeigenschaften als Biomarker fĂŒr den Krankheitsfortschritt von Bauchaortenaneurysmen (BAA), der hĂ€ufigsten Form des Aneurysmas. Neue Forschungsergebnisse zeigen nun, dass die zyklische Verformung der Aortenwand zusĂ€tzliche, eigenstĂ€ndige Einblicke in den Krankheitszustand von Aneurysmen liefert, die ĂŒber den Informationsgehalt durch bereits etablierte Methoden hinausgehen.

Rekonstruktion eines Bauchaortenaneurysmas mit Abmessungen in mm und anatomischer Lagebezeichnung (cranial – kopfwĂ€rts, caudal – fußwĂ€rts, ventral – zur Vorderseite hin, dorsal – zur RĂŒckseite hin). Schwarze Punkte beschreiben die durch CT-Angiographie ermittelte Aortengeometrie. Die farbige FlĂ€che zeigt die mit 4D Ultraschall lokal gemessenen Verformungen im abdominalen Bereich der Aorta. Blau und tĂŒrkis kennzeichnen geringe Verformungen, gelb und rot mittlere bis starke Verformungen. Magenta beschreibt den Bereich der grĂ¶ĂŸten Verformung.
Bildquelle: Labor fĂŒr Biomechanik, Frankfurt UAS (erstellt auf Basis von CT und 4D Ultraschalldaten des UniversitĂ€tsklinikums Frankfurt am Main)

„Rund 3 Prozent der ĂŒber 65- bis 70-jĂ€hrigen MĂ€nner und 1 Prozent aller Frauen der gleichen Altersgruppe in Westeuropa und den USA sind von einem Aneurysma betroffen. Diese Erkrankung der Aorta verlĂ€uft zwar in vielen FĂ€llen symptomfrei, eine plötzliche Ruptur, also ein Riss, kann jedoch lebensbedrohlich sein; rund 10.000 Personen in Deutschland sterben jedes Jahr an den Folgen eines Aneurysmas“, erklĂ€rt Prof. Dr. Armin Huß, Professor fĂŒr Technische Mechanik, Technische Schwingungslehre und Finite Elemente Methode sowie Leiter des Labors fĂŒr Biomechanik.

„Bauchaortenaneurysmen beginnen mit einer degenerativen VerĂ€nderung der Materialeigenschaften der Aortenwand. Im weiteren Verlauf kann sich die Wand wieder stabilisieren – oder bis zur Ruptur weiter schwĂ€chen, der Unterschied beider KrankheitsverlĂ€ufe besteht in den Materialeigenschaften der Wand, die im Gegensatz zu technischen Materialien nicht ein fĂŒr alle Mal feststehen, sondern vom Körper bestĂ€ndig remodelliert werden. Dennoch sind die klinisch etablierten Kriterien fĂŒr eine chirurgische Behandlung oder weitere Beobachtung eines Bauchaortenaneurysmas der maximale Durchmesser und seine Wachstumsrate, nicht die individuellen Materialeigenschaften, weil es bislang nicht möglich war, diese Patient*innen individuell zu bestimmen“, erlĂ€utert Dr. Christopher Blase vom Labor fĂŒr Biomechanik. „Gemeinsam mit unseren klinischen Partnern hat unsere Forschungsgruppe die zeitaufgelöste dreidimensionale Verformungsmessung der Aneurysmenwandbewegung am lebenden Menschen mit Ultraschall weltweit erstmals etabliert.“ „Basierend auf diesen neuartigen Daten haben wir Methoden entwickelt, die die Bestimmung der individuellen Materialeigenschaften der Wand erlauben“, ergĂ€nzt Dr. Andreas Wittek. „Damit stehen zusĂ€tzliche Informationen zur Beobachtung und EinschĂ€tzung des Krankheitsverlaufs und möglicherweise zur prĂ€ziseren EinschĂ€tzung des Rupturrisikos zur VerfĂŒgung.“

„Um eine genaue EinschĂ€tzung des persönlichen Rupturrisikos vornehmen zu können, ist es umso wichtiger, die Materialeigenschaften beziehungsweise Verformungen jeder Aorta individuell zu lesen“, betont Manuel Schönborn, neben Achim Hegner einer von zwei Doktoranden von Prof. Huß, die aktuell in der Forschungsgruppe an diesem Thema forschen. Ziel ihrer Arbeiten ist die Weiterentwicklung und Validierung der bislang entwickelten Methoden. „Möglicherweise kann so ein neues Risikokriterium fĂŒr die Aortenruptur vorgeschlagen werden, welches Chirurg*innen zusĂ€tzlich herbeiziehen können, um BAA-Krankheitsverlauf und Rupturrisiko individuell, kostengĂŒnstig und nicht-invasiv bewerten zu können. Die Anwendung dieser Methode kann dazu beitragen, unnötige Operationen zu vermeiden und lebensbedrohliche Situationen besser einzuschĂ€tzen. Die Ultraschalluntersuchung kann zusĂ€tzlich zur seit langem etablierten Messung des maximalen BAA-Durchmessers Informationen ĂŒber die individuellen Gewebeeigenschaften der erkrankten Aortenwand geben, um die Gefahr einer lebensbedrohlichen Ruptur der Wand zuverlĂ€ssiger prognostizieren zu können“, schließt Prof. Armin Huß.

Das Forschungsprojekt entstand im Rahmen des Teilprojekts „Vascular Mechanics“ unter Leitung von Dr. Christopher Blase und unter Mitarbeit von Dr. Andreas Wittek des LOEWE-Schwerpunkts PrĂ€ventive Biomechanik. Der LOEWE-Schwerpunkt war eine Kooperation der Frankfurt UAS mit der Goethe-UniversitĂ€t Frankfurt und der Philipps UniversitĂ€t Marburg unter FederfĂŒhrung der Frankfurt UAS. Blase und Wittek waren mit ihrer Forschung weltweit die ersten, die den sogenannten 4D-Ultraschall Strain fĂŒr Aortenanalysen etabliert haben.

Um eine noch zuverlĂ€ssigere Methode zur Rupturrisikobewertung eines BAA zu entwickeln, hat die Forschungsgruppe in Zusammenarbeit mit Forschenden der Klinik fĂŒr GefĂ€ĂŸ- und Endovascularchirurgie des UniversitĂ€tsklinikums Frankfurt am Main sowie der Klinik fĂŒr GefĂ€ĂŸchirurgie und EndovaskulĂ€re Chirurgie des UniversitĂ€tsklinikums Heidelberg jĂŒngst eine Studie mit 22 Proband*innen mit BAA durchgefĂŒhrt. Zur Untersuchung haben die Wissenschaftler*innen eine bisher ĂŒbliche Computertomographie-Angiographie basierte Methode mit dem 4D-Ultraschall Strain Imaging verglichen. „Wir konnten feststellen, dass die Verformungs- und Belastungsanalysen unabhĂ€ngige biomechanische Informationen ĂŒber BAA liefern. Im derzeitigen Entwicklungsstadium werden die beiden Methoden als komplementĂ€r angesehen und könnten in Zukunft eine patientenspezifischere Rupturrisikovorhersage optimieren“, erklĂ€rt Schönborn, der als Co-Autor an der Studie mitwirkte.

„Die theoretischen Modelle der Kontinuumsbiomechanik beschreiben grundsĂ€tzlich den funktionalen Zusammenhang von Belastung und Verformung. Im Rahmen unserer Studie haben wir also einen korrelativen Zusammenhang zwischen den voneinander unabhĂ€ngig gemessenen Belastungs- und VerformungsgrĂ¶ĂŸen erwartet. Das Interessante dabei ist, dass dieser unter den bestehenden Modellierungsannahmen nicht bestĂ€tigt werden konnte. Das bedeutet, dass GefĂ€ĂŸchirurg*innen und Biomechaniker*innen weltweit zusĂ€tzlich zu ihren etablierten Methoden auch 4D-Ultraschallmodelle in Betracht ziehen sollten, um zusĂ€tzliche, am lebenden Menschen gemessene Verformungsdaten der Aorta in ihre Rupturrisikobewertung einzubeziehen“, so Schönborn abschließend.

Die detaillierten Ergebnisse der Studie werden in KĂŒrze in einem Fachbeitrag unter dem Titel „Correlation of 4D ultrasound strain analysis with CTA wall stress simulations in abdominal aortic aneurysms“ im Journal of Vascular Surgery veröffentlicht.