Analytical study on blood flow factors for reduction of vascular stenosis of AV fistula of hemodialysis patients

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K15838
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 木下 知 東北大学, 大学病院, 特任助手 (00836538)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: シャント狭窄 / wall shear stress / computed fluid dynamics / 吻合角度

Outline of Annual Research Achievements

現在34万人も患者をもつ人工血液透析の現場で頻発するシャント吻合部狭窄は、非常に深刻な課題である。「鈍角吻合シャント形状」を維持することでWall Shear Stressを低減できれば、狭窄を低減できると予想でき、それによりPTA手術(バルーン拡張による狭窄治療手術)、それに伴う患者の苦痛および医療従事者 のシャント狭窄管理を低減することが可能になる。
それを実現すべく昨年度は、透析患者情報より狭窄及びその要因であるWall Shear Stressに影響する血管形状因子を吻合形状及び吻合部付近静脈の曲率と推定し、透析シャント形状にて発生するwall shear stressの範囲及び吻合部付近での異常値を認めた。これらは、シャント狭窄頻発領域と一致していた。 さらに、東北大学医学部付属動物実験施設において、東北大学病院心臓血管外科とともに動物実験を行い、ビーグル犬を用いて、大腿動静脈にてシャントを作製し、造影CT撮像を行うことで、従来のシャント形状(鋭角吻合シャント)と我々が提案するwall shear stress低減可能なシャント形状(鈍角吻合カーブシャント+形状維持のためのカバーデバイス装着)の3D形状の抽出を行った。その結果、生体内においてもシミュレーション同様のwall shear stress分布が見られ、従来のシャント形状では吻合部付近で異常な wall shear stressが発生していることが確認でき、一方で我々が提案するデバイス装着シャントは従来よりもwall shear stressを低減できていることが確認された。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

上記成果内容でも記述したとおり、2022年度前期の研究目標「流体シミュレーションによるwall sheaer stress正常範囲となるシャント形状特徴の抽出」については、2021年度研究成果により、「吻合角度と吻合部付近静脈曲率」をコントロールすることで、ある1つの理想シャント形状(=鈍角吻合カーブ形状)の抽出を行うことができた。
また、2022年度後期の研究目標「生体を用いた有効性確認」については、東北大学病院心臓血管外科とともに実施した動物実験により、我々が提案した理想シャント形状(形状維持のためのカバーデバイスを装着)及び従来のシャント形状を生体内に作成し、その時の3D形状をそれぞれ造影CTにより抽出し、流体シミュレーションを行った。その結果、従来のシャントよりも我々が提案したシャントの方が、狭窄要因であるwall shear stressを低減できていることがわかった。
また、これにより我々の提案するシャント形状により狭窄の要因を低減できていることは明らかになったが、残りの研究期間では「狭窄を低減可能」であることを、病理画像を用いて評価する必要がある。

Strategy for Future Research Activity

2022年度研究成果を用いて、2022年度後期の研究目標である「生体を用いた有効性の評価」を完了させることが今後の研究目標である。これまで同様、ビーグル犬を用いて東北大学病院心臓血管外科とともに動物実験を実施する。ビーグル犬大腿部を用いて、片側に従来形状のシャント(鋭角吻合シャント)、もう片側には我々の提案する新しい形状のシャント(鈍角吻合カーブシャント)を作成する。また、鈍角吻合のシャ ント形状を生体内で自然に維持することは不可能なため、提案形状を維持するカバーデバイスの試作品(改良版、NiTi製)を作製する。それをビーグル犬に装着・留置することで慢性期実験(約40日間飼育)を行い、観察期間終了後にシャント摘出を行う。病理標本を作成し、従来シャントと提案シャントの狭窄率を比較することで、提案シャント形状の有効性の確認を行い、本研究を完了することを目標とする。

Causes of Carryover

次年度使用額が生じた理由としては、次に記載する理由による研究の遅延によるものである。本研究において、シャントデータの取得及び動物実験におけるシャント手術準備(手技内容確認)に透析病院と連携する必要があるが、新型コロナウイルス流行により訪問の制限が設けられたり、医師との日程調整が困難となった。また同理由により動物実験実施の使用制限がかかった時期があり、動物実験が実施できなかった。これらの理由により、シャントデータの取得及び以降の研究(流体シミュレーション、動物実験)の遂行に想定以上の時間を要した。したがって、次年度においては遅延分の研究、つまりは動物実験による生体における有効性の評価を行うこととする。具体的にはデバイス製作・動物実験(手術、動物飼育、造影CT撮像)、病理標本の作成、流体シミュレーション評価にて研究費を使用する。