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2020年10月
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Willis輪の形成とその異常

Willis輪とは

Willis輪は、脳底部において、椎骨動脈と内頚動脈の枝が連絡して形成される輪状ないし六角形の動脈吻合物で、脳への血液供給を担う。それは、1本の前交通動脈(Acom)と、左右の前大脳動脈(ACA)、内頸動脈(ICA)、後交通動脈(Pcom)、後大脳動脈(PCA)の5種類の動脈から構成される。Willis輪は、脳血流を安定させ、一定に保つ側副血行路としての作用があり、脳血管の閉塞や狭窄において血流の代償的メカニズムとして役立つとされている。また、血流よりも血圧の安定化に重要という説もある1-3。その形態は多様であり、完全な輪状を成す個体は、ヒト成人では約5-28%といわれている。また、ヒト成人では、特にAcom(5~32 %)やPcom(23~81 %)、前大脳動脈のA1領域(1~16 %)、後大脳動脈のP1領域(7~29 %)に低形成・無形成が生じやすいとされているが、報告によりばらつきがみられる4。それらは脳梗塞などの脳血流障害の重症度や予後を左右する1.2

図1 主要脳血管の発生の3段階

Willis輪ができるまで

Pagetは脳内の血管系の形成について7段階にわけ詳細かつ精確に記述しており、現在まで多くの教科書、論文で引用されている5.6

脳血流は、Carnegie stage(CS)13 (受精後約30日)ころまでは、背側大動脈から分岐する内頚動脈(ICA)と,脳幹部に沿って網状に伸びるlongitudinal neural artery (INA)からなる。INAは脳幹の左右に分布する血管で、網状に分岐、融合を繰り返している。内頚動脈はCS11~13(受精後約25-30日)に発達がみられる。内頚動脈とINA間には、血管吻合(segmental artery)が複数みられる(図1A; 三叉神経動脈(tga), 舌下神経動脈(hga),前環椎動(paa))。

CS14(受精後約33日)に後交通動脈が形成され、左右のINAが次第に融合し脳底動脈(BA)を形成し始めると、これらsegmental arteryは消退する。このようにsegmental arteryは、発生途中の4-8日間限定でみられ、比較的太い三叉神経動脈もCS17(受精後約43日)ころには消退する。これらsegmental arteryの遺残は、成人でもみられることがあり、脳外科領域の手術時に問題になることがある。

CS16(受精後約40日)ころに椎骨脳底動脈(VA+BA)は完成する。CS17には前大脳動脈・中大脳動脈(MCA)・後大脳動脈(PCA)の大脳動脈の発達が顕在化する。胚子期では、加えて前後の脈絡叢動脈(acha, pcha)の発達が目立つのが特徴である。これは、脈絡叢が胎児期中盤から大脳の栄養供給など機能的に重要な役割を果たすことと関係がある(図1B)。成人のWillis輪のvariationのうち胎児型(fetal type)と呼ばれるもの(後大脳動脈のP1領域の途絶)は、図1Bの時期のものを想定して命名されている。大脳半球後部、中脳、後脳,の血流供給は、内頚動脈由来の後交通動脈を介しての血流が胚子期初期から中期の一定期間こそ役割の多くを担うが、次第に椎骨脳底動脈系(VA.BA)の血流が優位となる。この傾向は、発生が進み大脳の発達が著明になるにつれて、内頚動脈由来の多くの血流が前大脳動脈, 中大脳動脈領域の大脳に割り当てられることと関係がある(図1C)。後大脳動脈の発達とともに後交通動脈、前後の脈絡叢動脈,は退縮する。

CS20~21(受精後約52-54日)に前交通動脈を介して左右の前大脳動脈が吻合することでWillis輪が完成するとPagetは述べている5.6。本邦の標本を用いた我々の検討ではWillis輪の完成はCS22-23頃(受精後55-60日)と、Pagetの報告よりも若干遅かった8。人種による差かもしれないが、理由は不明である。

胚子期末(CS23,受精後60日ころ)の特徴

図2 胚子期末のWillis輪

胚子期末の完成直後のWillis輪は成人と比較すると以下のような特徴がある(図2)8

1) Willis輪は平面上になく、階段状である。また、後部の脳底動脈-後交通動脈との接続領域にはヘアピン状の大きな屈曲がみられる。これは、胚子期の脳胞の中脳上方の強い頭屈(cephalic flexure)や間脳の腹側の形状に沿うためである(図2B)。

2) 強い屈曲部は太く、多くの血管が出る。胚子期末では、大脳の前半部に比べて、中脳、後脳、大脳半球後部の血管は再構成の途上であると考えられる5.6(図2C)。

3)内頚動脈は蛇行している。また、後交通動脈の分岐点と中大脳動脈とは、成人と比較して離れている。

4)後交通動脈は成人と比較して長い。

5) 椎骨脳底動脈は2本の網状に走るINAが癒合し形成されるため、太さが一様でなくしばしば蛇行する。窓形成(Fenestration)や脳底動脈の重複等もみられることがある。

図3 Willis輪前方領域(前交通動脈、前大脳動脈)にみられたvariationの自験例8 数字は、出現した例数を示す。

胚子期末のWillis輪の個体差(variation)

Willis輪の個体差は基本的には成人のそれと同様の部位にみられる。

自験例20例のうちVariationは17例にみられ内訳は—前方部のみ10例(前交通動脈、前大脳動脈), 後方部のみ1例(後交通動脈)、前方と後方の合併6例である。後方部のvariationは、すべて一方の後交通動脈の径が細い例(hypogenesis)であった。

前交通動脈、前大脳動脈のvariationの例、頻度は図3の通りで、成人、胎児、新生児、幼児9-13でみられるvariationの内訳、頻度と概ね同じであった。前交通動脈の重複は胎児期には優位であると報告される14.叢状の前交通動脈は胚子期のWillis輪完成前には多くみられることから成人のそれは残存であると考えられる6。正中前大脳動脈(Median ACA)は、脳梁等への血液供給を担い、通常は血管再構成によりのちに消失する脳梁中間動脈である。胎児・新生児では64%にみられるが成人でも(3.2~22.0%)に残存する14,15。前大脳動脈の低形成のため、代償的に正中前大脳動脈が発達する可能性が考えられている。前交通動脈領域にみられた窓形成(fenestration), 叢状、正中前大脳動脈は、同領域における脳動脈瘤に関与する可能性がある。

後方部を構成する血管(脳底動脈,後大脳動脈、P1領域)やそこから分岐する血管は太く、後交通動脈はそれと同等かやや細いとされている16。自験例では、後方部のvariationは、いずれも一方の後交通動脈の径が細い例であった。

図4 Willis輪前方領域のvariation

胎児期から出生まで

Willis輪の血管径は胎児期前半までは、部位による差は顕著ではないが、4ヶ月頃から差が出てくるとされ、後交通動脈はP1に比べ細くなる17,18。この現象は、上述したように中脳、後脳や後大脳動脈などの後部大脳半球の血流供給が、次第に椎骨脳底動脈系の血流に優位に依存することと関係する。

一方で、P1の血流のない胎児型のvariationは4ヶ月以降にみられ始め、出生時には20%程度にみられると言われる9,12,13,19

まとめ

胚子期の脳血管の走行は、脳の成長に伴う需要に応じて、分岐、融合を繰り返す叢状の血流から再構成し確立した血管に変わっていく。このことがvariation,異常例、動脈瘤を生む遡上となっている。Willis輪についていえば、前方部の領域(前後交通動脈、前大脳動脈)は胚子期にすでに多様性がみられ、それが成人期に及んでいる可能性は十分に考えられる。一方、後方部におけるP1の途絶は、胚子期には見当たらず胎児期中期ころからの変化と考えられる。後交通動脈は、胚子標本の一部で低形成がみられる。一方で加齢とともに後交通動脈の狭小化、閉塞をきたすデータも報告されており、先天的なもの(hypogenesis),後天的なもの(萎縮等の退行性変化)の両者を考える必要があると考えられる。

参考文献
Furuichi K, Ishikawa A, Uwabe C, et al. Variations of the circle of Willis at the end of the human embryonic period. Anatomical Rec 2018, 301, 1312-9.

 

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