Biomechanics of the Ascending Thoracic Aorta: A Clinical Perspective on Engineering Data

Aneurysms of the ascending thoracic aorta often require prophylactic surgical intervention to resect and replace the aortic wall with a synthetic graft to avoid the risk of dissection or rupture. The main criterion for surgical intervention is the size of the aneurysm, with elective surgery recommended with a maximal aortic diameter of 4.2-5.5 cm depending on valve type and other patient risk factors. Although the risk of dissection and rupture increases with the size of aneurysm, different pathologies, including aortic valve phenotype and connective tissue disorders uniquely influence the mechanical dysfunction of the aortic wall. Dissection and rupture are mechanical modes of failure caused by an inability of the tissue to withstand local tissue stresses. Tensile testing of aortic tissues, therefore, has been used to reveal the mechanical parameters of diseased and healthy tissues to better characterize the mechanical function of aortic tissues in different patient groups. In this review, we highlight the principles and methods of ex vivo tensile analysis as well as the composition and structural properties that contribute to the mechanical behaviour of the ascending aorta. We also present a clinically oriented description of mechanical testing along with insight into the characterization of aneurysm. Finally, we highlight recent advances in echocardiography, computer tomographic angiography, and magnetic resonance angiography that have the potential to measure biomechanical properties noninvasively and therefore help select aortas at risk.

RésuméLes anévrismes de l’aorte thoracique ascendante exigent souvent une chirurgie prophylactique pour réséquer et remplacer la paroi de l’aorte par un greffon synthétique afin d’éviter le risque de dissection ou de rupture. La recommandation d’une intervention chirurgicale non urgente repose principalement sur la taille de l’anévrisme dont le diamètre aortique maximal est de 4,2-5,5 cm selon le type de valve et les autres facteurs de risque du patient. Bien que le risque de dissection et de rupture augmente en fonction de la taille de l’anévrisme, les différentes pathologies, y compris le phénotype de la valve aortique et les anomalies du tissu conjonctif, influencent uniquement le dysfonctionnement mécanique de la paroi de l’aorte. La dissection et la rupture sont des modes mécaniques de l’insuffisance causée par une incapacité du tissu à résister aux stress tissulaires locaux. Par conséquent, des essais de traction sur les tissus aortiques ont été utilisés pour révéler les propriétés mécaniques des tissus pathologiques et sains et mieux caractériser le fonctionnement mécanique des tissus aortiques chez les différents groupes de patients. Dans cette revue, nous soulignons les principes et les méthodes de l’analyse ex vivo en traction ainsi que la composition et les propriétés structurales qui contribuent au comportement mécanique de l’aorte ascendante. Nous présentons également une description axée sur l’aspect clinique de l’essai mécanique ainsi qu’un aperçu sur la caractérisation de l’anévrisme. Finalement, nous soulignons les récentes avancées en matière d’échocardiographie, d’angiographie par tomodensitométrie et d’angiographie par résonance magnétique qui ont le potentiel de mesurer de manière non invasive les propriétés biomécaniques et par conséquent d’aider à sélectionner les patients exposés au risque de dissection ou de rupture de l’aorte.