Arterijska inflamatorna bolest koja se zove ateroskleroza je vodeći uzrok smrti u Sjedinjenim Državama, ali oko polovine odraslih Amerikanaca starijih od 45 godina ima to stanje i ne zna za njega, prema Nacionalnom institutu za zdravlje. Karakteriše ga nagomilavanje plaka unutar arterija, vaskularnih magistrala koji potiskuju krv od srca do ostatka tela, stanje se često zanemaruje dok ne postane ozbiljno.
Jedno obećavajuće rešenje može se nalaziti u oblasti koja se, za oko laika, čini nepovezanom: Mašinsko inženjerstvo. Nora Kerolajn Vajld, diplomirani student Univerziteta Džordž Vašington na Fakultetu za inženjerstvo i primenjene nauke, koristi dinamiku kardiovaskularnih tečnosti kako bi istražila moguće anatomske faktore koji bi mogli rano upozoriti rizične pacijente.
„Kada pacijent ima simptome, to znači da već ima aterosklerozu koja je obično prilično teška“, rekao je Vajld, doktorski kandidat za mašinstvo i vazduhoplovstvo u laboratoriji za biofluidnu dinamiku predsedavajućeg odeljenja Majkla Plesniaka.
„Zato tražim kakve bi postojeće karakteristike mogle da dovedu do nezdravog uticaja nečijeg krvotoka na tkivo krvnih sudova. Možemo li da pogledamo geometriju krvnih sudova pacijenta – ugao njihovog grananja, prečnik – statistički klasifikovati pacijenta kao viši ili niži rizik?“
Plak se sastoji od holesterola, ćelijskog otpada i drugih masnih supstanci, koje se sve mogu akumulirati na vaskularnim zidovima dok se prenose krvlju. Ali zdrave endotelne ćelije, koje oblažu zidove krvnih sudova, sprečavaju nakupljanje plaka biohemijskim odgovorom na protok krvi sa kojim su u stalnom kontaktu.
U idealnim zdravstvenim uslovima, sila protoka krvi stvara minijaturne vrtloge u obliku vrtloga koji vrše silu trenja zvanu smičući napon na arterijski zid. Stres na smicanje stimuliše endotelne ćelije, sprečavajući nakupljanje plaka pre nego što postane opasno.
Ali za neke pacijente, otkrio je Vajld, na smicanje utiče geometrija arterija. Zamislite crevo koje prska vodu uz rampu: Ako se rampa završava blagim nagibom nazad do zemlje, voda će teći ravnomerno do vrha i dole do trave u njenom dnu. Ali ako se rampa završi naglom padom od 90 stepeni, voda pod pritiskom će se nadvijati preko trave u njenom dnu, jedva da je navlaži.
Da su crevo, rampa i trava svi pod vodom, formirali bi se vrtlozi kako se tok pod pritiskom gura napred, primenjujući smičući napon na travu ispod blagog nagiba, ali malo ili nimalo na travi ispod oštrijeg pada.
Zajednička karotidna arterija, koja je kritični sud koji isporučuje krv u lice i mozak, grana se na analogan način u unutrašnje i spoljašnje karotide na mestu na vratu za koje je poznato da je osetljivo na nakupljanje plaka.
Koristeći prosečne kliničke podatke pacijenata, Vajld je kreirao dva modela ove karotidne bifurkacione oblasti. Prvi model, zasnovan na podacima iz zdrave populacije, imao je simetričan ugao grananja od 60 stepeni – blago nagnutu rampu preko koje krv teče ravnomerno, stvarajući efikasne, trajne vrtloge. Drugi model, zasnovan na anatomskim karakteristikama pacijenata sa povećanim rizikom od ateroskleroze, bifurkirao se asimetrično i pod većim uglom.
Provodeći simulacije protoka krvi kroz ovaj drugi model, Vajld je otkrio da se kritični vrtlozi pogoršavaju brže. Ne samo da su gurnuti preko ranjivog spoja oštrim uglom bifurkacije, već nisu trajali dovoljno dugo da bi se efikasno vratili nazad. Nedotaknuti neophodnim naponom na smicanje, zidovi ovih sudova su imali veću vjerovatnoću da zadrže nakupljanje plaka.
Na ovim visokorizičnim karotidnim spojevima, protok krvi funkcioniše „nešto kao leto u Vašingtonu“, našalio se Vajld: Želite „lep mali povetarac“ da se ne udavite u znoju, ali umesto toga ste pritisnuti nepomični vazduh.
Ako se Vild-ovi virtuelni nalazi prevedu klinički, pacijenti bi mogli biti neinvazivno testirani na rizik od ateroskleroze u kliničkom okruženju merenjem gradijenata pritiska u njihovoj karotidi. (Dobijanje gradijenata pritiska u arterijama moguće je u kliničkom okruženju sa senzorima i novim metodama zasnovanim na imidžingu, rekao je Vajld.) Pacijenti čija vaskularna geometrija ukazuje na povećanu opasnost mogli bi da modifikuju svoje ponašanje u skladu sa tim, uključujući uspostavljanje aktivnijeg plana nege.
„Verujem da će ovo istraživanje u budućnosti pomoći u lečenju ateroskleroze pre nego što pacijenti dožive teške simptome“, rekao je Vajld. „Uzbuđeni smo zbog ovih nalaza jer povećavaju razumevanje zašto su određeni ljudi skloniji formiranju plaka i na taj način pomažu u identifikaciji kliničkih parametara za poboljšano kliničko rano otkrivanje.“
