Sviluppo del miocardio fetale: impatto dell'orientamento delle fibre sulla funzione diastolica del ventricolo sinistro

Background: Left ventricular myocardium is arranged in a complex three-dimensional network of fibers, which form a counterclockwise helix in the endocardial layer and a clockwise helix in the epicardial layer. This architecture may change in congenital and acquired heart disease. However, few studies evaluated the fetal myocardial development as well as the mechanism promoting these changes. Purpose of the study: Speckle Tracking Echocardiography allows to study endocardial and epicardial functionality in vivo separately. Combining these data with morphometric observations on histological sections of fetal human heart, we compared the development of the different myocardial layers with advancing gestational age. In addition, we verified in-silico the influence of different myocardial fibers arrangements on diastolic performance. Methods: To study fetal myocardial function, we enrolled 72 fetuses and 39 premature babies without cardiac pathologies. We studied longitudinal endocardial and epicardial strain in these patients. For the histological section, we studied 20 fetal hearts without cardiac pathologies from autopsy investigation. We determined every layer’s thickness and cardiac fibers orientation in comparison with gestational age. Concerning the in-silico study, three finite element models of the left ventricular myocardium were developed, corresponding to 20, 30 and 40 weeks’ fetuses. An idealized thick walled ellipsoidal shape was considered, based on the values obtained from fetuses and babies measurements. Different combinations for the fiber orientations were investigated. Results: Endocardial values of deformation are higher than epicardial ones. Epi/endocardial values ratio increased with gestational age (R=0.51, p<0.0001). Histological data confirm these observations (Epi/Endocardial thickness ratio over the gestational age: R=0.76; P<0.0001). All layers increase their thickness during but, while epicardium increases fourfold, trabecular and endocardial layers maintain almost the same value throughout pregnancy. Computational models showed that a radial arrangement of the myocardial fibers gives the highest diastolic compliance, while a longitudinal arrangement gives the poorest diastolic compliance. The endocardial longitudinal layer is the main contributor to the left ventricular diastolic rigidity. Conclusions: Left ventricular myocardium maturation is a process that begins early during fetal life. It starts from the differentiation of a subendocardial layer. The development of the epicardium is slower than the endocardium and it is completed late in the fetal life. The radial arrangement of the myocardium fibers gives the highest compliance to the left ventricle, with poor changes in end-diastolic pressure even getting twice the end-diastolic volume. The endocardial longitudinal fibers are the main contributors to the preservation of the shape of the left ventricle.

Obiettivi: Scopo dello studio è di migliorare la comprensione dei meccanismi evolutivi che promuovono lo sviluppo dell’architettura miocardica del ventricolo sinistro, confrontando i dati anatomici ottenuti con l’esame istologico del miocardio fetale alle differenti settimane di gestazione con i dati funzionali calcolati all’ecocardiografia fetale mediante metodica speckle tracking. Materiali e metodi: in questo studio trasversale sono stati al momento arruolati 72 feti di età gestazionale compresa tra le 17 e le 36 settimane gestazionali e 39 neonati in prima giornata di vita nati dopo 23-36 settimane di gestazione. Di questi pazienti è stata ottenuta una proiezione apicale 4 camere da cui è stato possibile studiare il valore di strain longitudinale regionale sia a livello dell’endocardio sia a livello dell’epicardio. Sono stati inoltre analizzati i cuori di 20 feti sottoposti ad indagine autoptica per aborto spontaneo o interruzione volontaria di gravidanza senza patologia cardiaca. Di questi sono state ottenute delle fette di miocardio ventricolare sinistro da tagli longitudinali e sagittali a livello della parete laterale del ventricolo sinistro. Sulla base dei risultati funzionali ed istologici sono stati progettati, in collaborazione con il Dipartimento di Ingegneria Civile, Ambientale e Strutturale, ricostruzioni al computer di curve pressione-volume durante la fase diastolica in funzione della diversa prevalenza di espressione delle fibre miocardiche. Sviluppo del progetto: Il progetto ha coinvolto l’UOC di Cardiologia Pediatrica, l’UOC di Patologia Neonatale, l’UOC di Anatomia Patologica e il Dipartimento di Ingegneria Civile, Ambientale e Strutturale dell’Università di Padova. Lo sviluppo di questo progetto si è avvalso della collaborazione della Prof. Annalisa Angelini e della Dott.ssa Marny Fedrigo afferenti alla UOC di Anatomia Patologica; della Prof.ssa Francesca Susin, della Prof.ssa Daniela Boso, del Dott. Paolo Peruzzo e della Dott.ssa Elena De Filippi, afferenti al Dipartimento di Ingegneria, per l’implementazione del modello matematico per la customizzazione della curva di Frank-Starling nei diversi pattern di distribuzione delle fibre miocardiche; della Dott.ssa Valentina Favero (acquisizione dati dei neonati afferenti alla UOC di Patologia Neonatale) e delle studentesse Alessia Basso (acquisizione dati ecografici del feto) e Irene Cattapan (acquisizione ed analisi dei dati ecografici del feto e dei dati di Anatomia Patologica) Risultati: Lo studio ha dimostrato che i fasci longitudinali endocardici si differenziano precocemente rispetto ai fasci longitudinali epicardici. Infatti i primi rappresentano il 50% dello spessore miocardico già alla 14° settimana, e tale valore risulta stabile lungo il resto della gestazione. I fasci epicardici, invece, si differenziano alle spese dei quelli mesocardici trasversi solo tardivamente, passando dal 5% della 14° settimana al 22% al termine della gestazione. Dal punto di vista funzionale tale ripartizione è confermata dal rapporto tra lo strain longitudinale epicardico rispetto a quello endocardico, che passa dal 55% alla 18° settimana al 70% al termine della gestazione. Il lavoro in vitro ha permesso di evidenziare il comportamento delle curve pressione-volume a seconda della diversa disposizione delle fibre. È stato dimostrato che se le fibre si dispongono in senso radiale aumenta la compliance diastolica del ventricolo, mentre man mano che le fibre assumono un assetto longitudinale il sistema diventa più rigido. In condizioni fisiologiche le fibre hanno una disposizione +/- 60°. Tale livello di ridigità assicura contenute variazioni di volume a differenti condizioni di carico. Durante la vita fetale, invece, il sistema parte da una disposizione prevalentemente orizzontale, probabilmente perché le pressioni da generare sono più basse e perché la camera ventricolare ha rapidi incrementi di volume legati alla crescita. È stato inoltre verificato che il sistema risulta più rigido se lo strato longitudinale è posto all’endocardio, questo è ciò che si verifica nel feto a partire dalla 12° settimana di gestazione. Conclusioni: questo studio dimostra i meccanismi meccanici e idraulici che sottendono allo sviluppo del miocardio fetale e pone le basi per lo studio dei meccanismi di compenso che si sviluppano nei pazienti con scompenso cardiaco. Prospettive future: sarebbe utile sviluppare la curva pressione-volume anche in fase sistolica per determinare la performance delle fibre in fase contrattile.