大動脈弁

大動脈弁は、レオナルド・ダ・ヴィンチ（1513年）やバルサルバ（1740年）に始まり、特に20世紀後半には繰り返し記述されてきたことから、最も研究されていると考えられています。しかし、過去の研究は主に記述的なものであり、頻度は低いものの、比較研究も行われていました。J・ジマーマン（1969年）の研究で「弁の機能をその構造の延長として」考察することを提唱して以来、ほとんどの研究は形態機能的な性質を持つようになりました。大動脈弁の構造研究を通してその機能を研究するというこのアプローチは、ある程度、大動脈弁全体の生体力学を直接研究することの方法論的な困難さに起因していました。機能解剖学の研究により、大動脈弁の形態機能的境界を決定し、用語を明確にし、そしてその機能についても広範囲に研究することが可能になりました。

これらの研究のおかげで、大動脈弁は広い意味で、大動脈と左心室の両方に関連する単一の解剖学的および機能的構造として考えられるようになりました。

現代の概念によれば、大動脈弁は漏斗状または円筒形の容積構造であり、3 つの洞、3 つのヘンレ尖間三角、3 つの半月弁および線維輪で構成され、その近位境界と遠位境界はそれぞれ心室大動脈接合部と洞管状接合部です。

あまり一般的ではない用語として、「弁大動脈複合体」があります。狭義には、大動脈弁は3つの弁尖、3つの弁輪、そして線維輪からなる固定要素として理解されることがあります。

一般的な力学の観点から見ると、大動脈弁は、強固な繊維（パワー）フレームと、その上に配置された比較的薄いシェル要素（洞壁および弁尖）からなる複合構造と考えられています。このフレームの変形と動きは、それに取り付けられたシェルに生じる内部力の作用によって生じます。そして、フレームはシェル要素の変形と動きを決定します。フレームは主に密集したコラーゲン繊維で構成されています。大動脈弁のこの構造が、その機能の耐久性を決定づけています。

バルサルバ洞は大動脈の開始部分の拡張した部分で、近位では線維輪と弁尖の対応する部分によって、遠位では洞小管接合部によって制限されます。洞は、そこから分岐する冠動脈に従って、右冠動脈、左冠動脈、非冠動脈と名付けられています。洞の壁は大動脈の壁よりも薄く、内膜と中膜のみで構成され、コラーゲン繊維によっていくらか厚くなっています。この場合、洞の壁のエラスチン繊維の数が減少し、コラーゲン繊維は洞小管から心室大動脈接合部の方向に増加します。高密度のコラーゲン繊維は主に洞の外表面に沿って存在し、円周方向に配向しています。また、弁輪下腔では弁の形状を支える尖頭三角形の形成に関与しています。洞の主な役割は、拡張期には弁尖と洞の間の張力を再分配し、収縮期には弁尖の平衡位置を維持することです。洞は基底部で弁尖間三角形によって分割されています。

大動脈弁を形成する線維性骨格は、大動脈基部の強固な線維性要素、弁基部の線維性輪、弁輪交連桿体（柱状部）、そして洞管状移行部からなる単一の空間構造です。洞管状移行部（弓状輪または弓状隆起）は、洞と上行大動脈を結ぶ波状の解剖学的接続部です。

心室大動脈接合部（弁基底輪）は、左心室出口と大動脈（線維性筋組織）を結ぶ円形の解剖学的接合部です。海外の外科文献では、心室大動脈接合部はしばしば「大動脈輪」と呼ばれます。心室大動脈接合部は、平均して左心室動脈円錐の心筋の45～47%で形成されます。

交連は、大動脈根部の遠位部内面において、隣接する弁尖とその近位縁との連結線（接触線）であり、その遠位端は洞管接合部に位置する。交連桿体（柱）は、大動脈根部の内面における交連の固定部位である。交連柱は、線維輪の3つの部分の遠位延長である。

ヘンレの尖間三角は、大動脈基部の線維性または線維筋性の成分であり、線維性輪の隣接する部分とそれぞれの弁尖との間の弁輪交連より近位に位置する。解剖学的には、尖間三角は大動脈の一部であるが、機能的には左心室からの流出路となり、大動脈血行動態ではなく心室血行動態の影響を受ける。尖間三角は、洞が比較的独立して機能できるようにし、洞を結合し、大動脈基部の形状を均一に維持することで、弁の生体力学的機能に重要な役割を果たしている。三角が小さいまたは非対称である場合、線維性輪が狭くなったり、弁が歪んで弁尖の機能不全が生じたりする。この状況は二尖大動脈弁で見られることがある。

弁尖は弁の固定要素であり、その近位縁は線維輪の半月状部（緻密なコラーゲン構造）から伸びています。弁尖は弁体部（主な荷重を受ける部分）、接合面（閉鎖面）、そして基底部で構成されています。閉鎖位置における隣接する弁尖の自由縁は、弁輪交連から弁尖中心まで広がる接合領域を形成します。弁尖接合領域の中央部は三角形で厚く、アランジ結節と呼ばれます。

大動脈弁を形成する弁尖は、3層（大動脈弁、心室弁、海綿状弁）で構成され、外側は薄い内皮層で覆われています。大動脈側の層（線維層）は、主に束状および糸状の円周方向に配向したコラーゲン繊維と、少量のエラスチン繊維で構成されています。弁尖自由縁の接合部では、この層は個々の束の形で存在します。この領域におけるコラーゲン束は、大動脈壁に対して約125°の角度で交連柱間に「吊り下げ」られています。弁尖本体部では、これらの束は線維輪から約45°の角度で半楕円形に広がり、反対側で終端しています。 「パワー」束と弁尖の端が「吊り橋」の形になっているこの配置は、拡張期の圧力負荷を弁尖から洞と大動脈弁を形成する繊維性フレームワークに伝達することを目的としています。

無負荷の弁では、線維束は収縮状態にあり、円周方向に約1 mm間隔で波線状に並んでいます。線維束を構成するコラーゲン繊維は、弛緩状態の弁でも波状構造を呈し、波の周期は約20 μmです。荷重が加わると、これらの波は直線化し、組織が伸張できるようになります。完全に直線化した繊維は伸張できなくなります。コラーゲン繊維のひだは、弁にわずかな荷重が加わると容易に直線化します。これらの線維束は、荷重が加わった状態および透過光下で明瞭に観察できます。

機能解剖学の手法を用いて、大動脈基部要素の幾何学的比率の不変性を研究した。特に、洞管腔接合部と弁基部の直径の比は一定であり、0.8～0.9であることがわかった。これは、若年者および中年者の弁・大動脈複合体においても同様である。

加齢に伴い、大動脈壁構造の質的崩壊が起こり、弾性の低下と石灰化が進行します。これは、一方では大動脈壁の漸進的な拡張を、他方では弾性の低下をもたらします。50～60歳を超えると、大動脈弁の幾何学的比率の変化と伸展性の低下が起こり、弁尖の開口面積の減少と弁全体の機能特性の低下を伴います。フレームレス生体弁を大動脈部位に移植する際には、患者の大動脈根部の加齢に伴う解剖学的および機能的特徴を考慮する必要があります。

1960年代後半には、ヒトと哺乳類の大動脈弁のような構造の比較が行われました。これらの研究により、他の異種大動脈基部とは対照的に、ブタとヒトの弁の多くの解剖学的パラメータの類似性が実証されました。特に、ヒト弁の非冠状静脈洞と左冠状静脈洞は、それぞれ最大と最小であることが示されました。同時に、ブタ弁の右冠状静脈洞が最大で、非冠状静脈洞が最小でした。同時に、ブタとヒトの大動脈弁の右冠状静脈洞の解剖学的構造の違いが初めて説明されました。近年、再建形成外科の発展と生物学的フレームレス代替物による大動脈弁置換術に関連して、大動脈弁の解剖学的研究が再開されています。

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ヒト大動脈弁とブタ大動脈弁

ヒト大動脈弁と、異種移植の可能性を秘めたブタ大動脈弁の構造を比較する研究が行われた。異種移植弁は比較的低いプロファイルを有し、非冠状静脈洞が小さいため、ほとんどの場合（80%）非対称であることが示された。ヒト大動脈弁の中等度の非対称性は、左冠状静脈洞が小さいためであり、それほど顕著ではない。

ブタ大動脈弁は、ヒトの大動脈弁とは異なり、線維輪を持たず、その洞は弁尖基部に直接接していません。ブタ弁には真の線維輪がないため、ブタ弁尖は半月状の基部で弁基部に直接付着しています。異種異系弁尖および洞の基部は、弁基部の線維性部分および/または線維筋性部分に付着しています。例えば、ブタ弁の非冠動脈弁尖および左冠動脈弁尖の基部は、分岐弁（線維弁および弁室弁）の形で弁の線維性基部に付着しています。言い換えれば、ブタ大動脈弁を形成する弁尖は、同種異系大動脈根のように洞に直接隣接していません。弁底の遠位部は、弁軸に沿って長手方向に、左冠状静脈洞および非冠状静脈洞の最近位部レベルで平均4.6 ± 2.2 mm、右冠状静脈洞では平均8.1 ± 2.8 mmです。これは、豚弁とヒト弁の重要な違いです。

ブタ大動脈根部における左心室大動脈円錐の軸に沿った筋性付着部は、同種大動脈根部よりもはるかに重要である。ブタ弁では、この付着部は右冠状動脈弁尖および同名の洞の基部を形成し、また程度は低いものの、左冠状動脈弁尖および非冠状動脈弁尖の隣接部分の基部も形成した。同種弁では、この付着部は主に右冠状動脈洞の基部、そして程度は低いものの左冠状動脈洞の基部のみを支持する。

大動脈弁の個々の要素の大きさと幾何学的比率を大動脈内圧に応じて分析することは、機能解剖学において非常に頻繁に用いられました。この目的のために、大動脈根部は様々な硬化物質（ゴム、パラフィン、シリコンゴム、プラスチックなど）で充填され、様々な圧力下で化学的または極低温的に構造安定化が行われました。得られた鋳型、すなわち構造化された大動脈根部は、形態計測学的手法を用いて研究されました。この大動脈弁の研究アプローチにより、大動脈弁の機能に関するいくつかのパターンを確立することが可能になりました。

試験管内および生体内での実験により、大動脈基部は動的な構造であり、その幾何学的パラメータの大部分は心周期中に大動脈と左心室の圧力に応じて変化することが示されています。他の研究では、弁尖の機能は主に大動脈基部の弾性と伸展性によって決定されることが示されています。また、洞内の血液の渦運動は弁尖の開閉に重要な役割を果たしていることが明らかになっています。

大動脈弁の幾何学的パラメータのダイナミクスは、高速シネアンギオグラフィー、映画撮影法、シネラジオグラフィーを用いた動物実験、およびシネアンギオグラフィーを用いた健常者における研究で研究されました。これらの研究により、大動脈基部の多くの要素のダイナミクスを非常に正確に推定することができましたが、心拍周期中の弁の形状とプロファイルのダイナミクスについては暫定的にしか推定できませんでした。特に、洞管状接合部の収縮期拡張期における拡張は16～17%であり、動脈圧と密接に相関することが示されました。洞管状接合部の直径は、左心室の収縮期圧がピークに達したときに最大値に達し、弁輪が外側に広がることで弁が開きやすくなり、その後、弁が閉じると直径が減少します。洞管状接合部の直径は、左室の等容性弛緩期の終わりに最小値に達し、拡張期に増加し始める。弁輪交連柱と洞管状接合部は、その柔軟性により、弁閉鎖後の逆弁膜圧較差の急激な増加期における弁尖の最大応力の分散に関与する。弁尖の開閉時の運動を説明する数学モデルも開発されている。しかし、数学モデルから得られたデータは実験データと大きく矛盾していた。

大動脈弁基部の動態は、弁尖または埋め込まれたフレームレス生体弁の正常な機能に影響を及ぼします。弁基部の周囲（イヌおよびヒツジ）は収縮期の開始時に最大値に達し、収縮期中に減少し、収縮期の終わりに最小値となることが示されました。拡張期には、弁周囲が増加しました。大動脈弁基部は、心室大動脈接合部（左右の冠状静脈洞間の尖頭三角、および左右の冠状静脈洞の底部）の筋肉部分の収縮により、そのサイズが周期的に非対称に変化する可能性もあります。さらに、大動脈基部の剪断変形とねじれ変形が明らかになりました。最大のねじれ変形は、非冠状静脈洞と左冠状静脈洞の間の交連柱領域で確認され、最小のねじれ変形は非冠状静脈洞と右冠状静脈洞の間で確認されました。半剛性ベースを備えたフレームレスバイオプロテーゼを移植すると、大動脈根のねじり変形に対するコンプライアンスが変化する可能性があり、その結果、複合大動脈根の洞管接合部にねじり変形が伝わり、バイオプロテーゼの弁尖に歪みが形成されます。

若年者（平均年齢21.6歳）における大動脈弁の正常な生体力学に関する研究が、経食道心エコー検査とそれに続くビデオ画像（最大120フレーム/秒）のコンピュータ処理、そして心拍周期の時間および位相に応じた大動脈弁要素の幾何学的特性の動態解析を用いて実施されました。収縮期には、弁開口面積、弁尖から弁基部までの放射角、弁基部の直径、および弁尖の放射長が大きく変化することが示されました。洞管腔接合部の直径、弁尖自由縁の円周長、および洞の高さは、それほど変化しません。

このように、弁尖の半径長は、心室内圧が等容性に減少する拡張期に最大となり、駆出量が減少する収縮期に最小となった。弁尖の半径方向の収縮期拡張期伸長は平均63.2±1.3%であった。弁尖は、拡張期圧較差が大きい拡張期には長く、収縮期圧較差がほぼゼロとなる血流減少期には短くなった。弁尖および洞管状接合部の円周方向の収縮期拡張期伸長は、それぞれ32.0±2.0%および14.1±1.4%であった。弁尖の弁底に対する半径方向傾斜角は、平均して拡張期の22°から収縮期の93°まで変化した。

大動脈弁を形成する弁尖の収縮期運動は、従来、次の 5 つの期間に分けられていました。

1. 準備期間は、心室内圧の等容性増加の段階で発生し、弁はまっすぐになり、放射状にいくらか短縮し、接合領域の幅は減少し、角度は平均して 22° から 60° に増加しました。
2. 弁の急速な開放期間は 20 ～ 25 ミリ秒続き、血液の排出が始まると、弁の基部に反転波が形成され、それがすぐに放射方向に広がって弁本体へ、さらには自由端へと広がりました。
3. 弁の開口のピークは、最大排出の最初の段階で発生しました。この期間中、弁の自由端は副鼻腔に向かって最大限に曲げられ、弁の開口の形状は円に近づき、側面では弁は切頂逆円錐の形状に似ていました。
4. バルブの比較的安定した開口期間は、最大排出の第 2 段階で発生し、バルブの自由端は流れの軸に沿って真っ直ぐになり、バルブは円筒形になり、バルブは徐々に閉じます。この期間の終わりまでに、バルブ開口部の形状は三角形になりました。
5. 弁の急速な閉鎖期は、駆出量の減少期と一致していた。弁尖基部では、収縮した弁尖を橈骨方向に伸展させる反転波が形成され、まず接合部の心室縁に沿って弁尖が閉鎖し、その後、弁尖が完全に閉鎖した。

大動脈基部の最大変形は、弁の急速な開閉時に発生します。大動脈弁を形成する弁尖の形状が急激に変化すると、弁尖に高い応力が生じ、組織の変性につながる可能性があります。

心室内の等容性圧力増加の段階で、逆転波と逆戻り波の形成を伴う弁の開閉のメカニズム、および弁の基部に対する弁の放射状傾斜角の増加は、大動脈根の減衰機構によるものであり、弁の変形とストレスを軽減します。