Non-invasive examination of the vascular adaption in patients with aortic valve stenosis after transcatheter aortic valve implantation

Arnold, Leonie (2025): Non-invasive examination of the vascular adaption in patients with aortic valve stenosis after transcatheter aortic valve implantation. Dissertation, LMU München: Medizinische Fakultät

Abstract

Aortic stenosis (AS) is the most common acquired valvular heart disease in high-income countries. It has an estimated prevalence of 4% in the age group of 70 years and older. Many studies predict that this will increase in the next decades due to an ageing population and improved diagnostic methods. This adds even more importance to finding effective tools for risk prediction, treatment decisions and patient management. The pathophysiology of AS is a complex, three-stage process: it starts with local inflammation of the valve, followed by lipid deposition and finally calcification. Importantly, AS is not just a local alteration of the valve but impacts the whole cardiovascular system. The valve area decreases and obstructs the blood flow leading to left ventricular hypertrophy as a compensatory mechanism. This process can be exacerbated by reduced arterial compliance and endothelial dysfunction. The interaction between arterial function and AS is receiving increasing interest to gain a better understanding of the development of AS, but also to find new cardiovascular markers. The development and progression of AS are highly individual in each patient. Grading can be difficult and even contradictory. Aortic valve area, pressure gradient and maximum velocity are the main grading factors. Additionally, surgical risk, symptoms and left ventricular ejection fraction are important for treatment decisions. No pharmacological treatment for AS exists so far. Surgical aortic valve replacement has long been the standard therapy, but transcatheter aortic valve implantation (TAVI) is now the most frequent intervention in Germany. To gain a better understanding of how vascular function is affected by TAVI in patients with AS, we compared two novel methods for measuring vascular function before and after TAVI. Two-dimensional speckle tracking (2DST) is a non-invasive method, that can be used to quantify vascular stiffness of the carotid artery. The movement of so-called speckles, reflections of ultrasound waves in the tissue, is automatically tracked using an algorithm. The great advantage of 2DST is that it is easy to use and does not require any special equipment, unlike many other methods for vascular stiffness. Additionally, computer-programs for the evaluation of ultrasound data for 2DST are widely available today. Secondly, endothelial function was measured using fingertip reactive hyperemia peripheral arterial tonometry (RH-PAT). It has similar advantages, such as a simpler application and less observer dependency than other established methods for endothelial dysfunction. We could demonstrate that vascular function measured by 2DST improved significantly after TAVI, while RH-PAT showed no significant improvement. To gain a better understanding why RH-PAT does not change in general, patients were further divided into two groups, one with no or negative change in RH-PAT and one with positive change. Interestingly, patients with more severe AS were more likely to be in the group with no or negative change. This is probably due to the more pronounced blood flow restrictions in patients with a smaller aortic valve area and higher flow velocities. Hemodynamic parameters were also an important influencing factor for the change in vascular stiffness, but with the opposite effect. Patients with more severe AS showed a more pronounced improvement in vascular stiffness. Microvascular flow therefore appears to respond differently to TAVI than the blood flow and vascular stiffness of larger vessels. These results underline the relevance and indication of different measurement methods for vascular function and the complexity of the interaction between TAVI, the heart and the vessels. Our results can potentially help to better monitor patients with AS before and after intervention. In the long term, further studies are needed to establish whether 2DST and RH-PAT are also suitable as risk markers for morbidity and mortality. Both parameters could help to improve the understanding of vascular function in patients with AS in the future and provide much-needed markers.

Abstract

Die Aortenklappenstenose (AS) ist die häufigste erworbene Herzklappenerkrankung in Industrieländern, mit einer geschätzten Prävalenz von 4 % in über 70-Jährigen. Viele Studien gehen davon aus, dass die Häufigkeit in den nächsten Jahrzehnten weiter steigen wird. Als Gründe sind dafür der demografische Wandel, aber auch eine bessere Diagnostik zu nennen. Umso wichtiger ist es daher, effektive Möglichkeiten zu finden, Patienten in Risikogruppen einzuteilen, Behandlungsentscheidungen treffen zu können und das Management zu verbessern. Die Pathophysiologie der AS ist ein komplexer, dreistufiger Prozess: zuerst eine lokale Entzündung der Klappe, gefolgt von der Einlagerung von Lipiden, und als finaler Schritt die Kalzifizierung. Während diese lokalen Prozesse ablaufen, betrifft eine AS aber auch das ganze kardiovaskuläre System. Der Klappendurchmesser reduziert sich fortschreitend und behindert den Blutfluss. Dies führt zu einer Linksherzbelastung und kann zusätzlich noch durch eine reduzierte arterielle Compliance und endotheliale Dysfunktion verstärkt werden. Um ein besseres Verständnis für die AS zu entwickeln, wird dieses Zusammenspiel zunehmend erforscht um Ansatzpunkte für neue Marker zu finden. Der Ablauf und die Progression von AS sind je nach Patient sehr individuell. Daher ist auch die Einteilung von AS in Schweregrade kompliziert und nicht immer eindeutig. Die wichtigsten Faktoren für die Einteilung sind der Druckgradient, die Klappenöffnungsfläche und die Flussgeschwindigkeit. Daneben können für die Therapieentscheidung noch das Operationsrisiko und die Symptomatik relevant sein. Trotz fortschreitender Forschung gibt es bis jetzt keine medikamentöse Therapie für Patienten mit AS. In Deutschland hat die Transkatheter-Aortenklappenimplantation (TAVI) den chirurgischen Klappenersatz als häufigste Intervention überholt. Um besser zu verstehen, wie die Gefäßfunktion bei Patienten mit AS durch die Behandlung mit TAVI beeinflusst wird, haben wir zwei neuartige Methoden zur Messung der Gefäßfunktion vor und nach TAVI verglichen. Das zwei-dimensionale Speckle Tracking (2DST) ist eine nicht-invasive Methode, die eingesetzt werden kann um die Gefäßsteifigkeit der Carotis zu messen. Dabei wird die Bewegung sogenannter Speckle, Reflektionen der Ultraschallwellen im Gewebe, mit einem Algorithmus automatisch verfolgt. Der große Vorteil von 2DST ist, dass es einfach anzuwenden ist und keine speziellen Gerätschaften benötigt, anders als viele andere Methoden zur Messung der Gefäßsteifigkeit. Computerprogramme zur Auswertung von Ultraschalldaten für 2DST sind heutzutage außerdem weitverbreitet. Als Zweites wurde die endotheliale Funktion mittels reaktiver Hyperämie peripherer arterieller Tonometrie (RH-PAT) über die Fingerkuppen gemessen. Auch hier sind Vorteile die einfachere Anwendung und die geringere Untersucherabhängigkeit als bei anderen etablierten Methoden. Wir haben gefunden, dass die Gefäßfunktion gemessen mit 2DST sich signifikant verbessert hat nach TAVI, während der RH-PAT keine signifikante Verbesserung zeigte. Um genauer zu verstehen, ob sich der RH-PAT generell nicht verändert, wurden die Patienten weiter unterteilt in zwei Gruppen: keine oder negative Veränderung des RH-PAT versus eine positive Veränderung. Interessanterweise waren die Patienten mit schwererer AS häufiger in der Gruppe mit keiner oder negativer Veränderung. Dies ist wahrscheinlich auf die ausgeprägtere Einschränkung des Blutflusses bei Patienten mit kleinerer Aortenklappenöffnung und höherer Flussgeschwindigkeit zurückzuführen. Auch bei der Veränderung der Gefäßsteifigkeit waren die hämodynamischen Parameter wichtige Einflussfaktoren, jedoch primär mit der entgegengesetzten Auswirkung. Patienten mit schwererer AS zeigten eine ausgeprägtere Verbesserung der Gefäßsteifigkeit. Der mikrovaskuläre Fluss scheint also anders auf TAVI zu reagieren als der Blutfluss und die Gefäßsteifigkeit der großen Gefäße. Diese Ergebnisse unterstreichen die Relevanz und Indikation unterschiedlicher Messmethoden zur Erfassung der Gefäßfunktion und die Komplexität der Interaktion zwischen TAVI, dem Herz und den Gefäßen. Unsere Ergebnisse können daher potenziell helfen, Patienten mit AS vor und nach Intervention besser zu beobachten. Langfristig sind weitere Studien nötig, um zu etablieren ob sich 2DST und RH-PAT auch als Risikomarker für die Morbidität und Mortalität eignen. Beide Parameter könnten in Zukunft helfen das Verständnis der Gefäßfunktion in Patienten mit AS zu verbessern und dringend benötigte Marker zu liefern.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: TAVI, calcific aortic stenosis, arterial stiffness, endothelial dysfunction
• Themengebiete: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften ; 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin und Gesundheit
• Fakultäten: Medizinische Fakultät
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 26. Mai 2025
• 1. Bericht­erstatter:in: Haas, Nikolaus