Strukturelle und hämodynamische Analyse von Mikrogefäßnetzwerken der Chorioallantoismembran des Huhns

Abstract

Einführung: Die Chorioallantoismembran (CAM) des Huhns ist ein weitläufig verwendetes in vivo - Modell. In dieser Arbeit werden CAM - Gefäßbäume strukturell, hämodynamisch und in Bezug auf die Gültigkeit von Murrays Vorhersagen analysiert. Methodik: Mittels Videomikroskopie wurden CAM - Mikrogefäßnetzwerke in Hühnerembryonen des Entwicklungsstadiums 40 nach Hamburger - Hamilton aufgenommen. Unter Aussparung der jeweiligen Kapillarnetze erfolgte daraufhin die digitale Rekonstruktion von drei Mikrogefäßnetzwerken mit je ~3800, 580 und 480 Gefäßsegmenten. Neben Gefäßdurchmessern (D) sowie Segmentlängen wurden Generationszahlen und die Bifurkationsindizes von Gefäßbifurkationen bestimmt. In ausgewählten Gefäßen wurden außerdem Blutströmungsgeschwindigkeiten (v) und Hämatokritwerte gemessen. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass in der CAM bereits von präterminalen Gefäßen Kapillaren abzweigen, wurden v, Volumenfluss (Q), Wandschubspannung (τ) und Druck in allen Gefäßsegmenten des großen Mikrogefäßnetzwerkes mathematisch simuliert. Ergebnisse: Die Generationszahlen der jeweiligen terminalen Venole und Arteriole einzelner arteriovenöser Pfade sind negativ korreliert. Dies führt zu einer geringen Variabilität der totalen topologischen und morphologischen Pfadlängen. In Arterien verhält sich die Blutströmungsgeschwindigkeit proportional zum Gefäßdurchmesser (v~D^1,03 gemessen, v~D^0,93 simuliert), was zu einem annährend konstanten τ-Niveau führt (τ~D^0,05). Venöse Gefäßbäume weisen leicht höhere Exponenten auf (v~D^1,3, τ~D^0,38). Die Bifurkationsindizes an divergenten und konvergenten Gefäßbifurkationen betrugen 2,05 ± 1,13 und 1,97 ± 0,95 (MW ± SAW) im Gegensatz zu dem nach Murray zu erwartenden Wert von 3. Schlussfolgerungen: In Übereinstimmung mit den Vorhersagen von Murray ist das τ-Niveau in arteriellen und (näherungsweise) in venösen Gefäßbäumen konstant, vereinbar mit einer wandschubspannungsgesteuerten vaskulären Adaptation. Arterielle und venöse Gefäßbäume sind interdigitierend angeordnet, was Pfadlängen homogenisiert, und zeigen ferner präterminale Kapillarabzweigungen. Diese Eigenschaften können ursächlich für die hohe Effizienz des Sauerstoffaustausches in der CAM während des schnellen Embryonalwachstums sein.

Introduction: The chick chorioallantoic membrane (CAM) is extensively used as an in vivo model. Here, structure and hemodynamics of CAM vessel trees were analyzed and compared with predictions of Murray’s law. Methods: CAM microvascular networks of Hamburger - Hamilton stage 40 chick embryos were scanned by videomicroscopy. Three networks with ~3800, 580 and 480 segments were digitally reconstructed, neglecting the capillary mesh. Vessel diameters (D) and segment lengths were measured, and generation numbers and junctional exponents at bifurcations were derived. In selected vessels, flow velocities (v) and hematocrit were measured. Hemodynamic simulations, incorporating the branching of capillaries from preterminal vessels, were used to estimate v, volume flow (Q), shear stress (τ) and pressure for all segments of the largest network. Results: For individual arteriovenous flow pathways, terminal arterial and venous generation numbers are negatively correlated, leading to low variability of total topological and morphological pathway lengths. Arteriolar velocity is proportional to diameter (v~D^1.03 measured, v~D^0.93 modeling), giving nearly uniform τ levels (τ~D^0.05). Venular trees exhibit slightly higher exponents (v~D^1.3, τ~D^0.38). Junctional exponents at divergent and convergent bifurcations were 2.05 ± 1.13 and 1.97 ± 0.95 (mean ± SD) in contrast to the value 3 predicted by Murray’s law. Conclusions: In accordance with Murray’s law, τ levels are (nearly) maintained in CAM arterial (venular) trees, suggesting vascular adaptation to shear stress. Arterial and venous trees show an interdigitating arrangement providing homogeneous flow pathway properties and have preterminal capillary branches. These properties may facilitate efficient oxygen exchange in the CAM during rapid embryonic growth.