FWF - LAESIO - Biomechanische Untersuchung der arteriellen Schädigung

Vaskuläre Schädigung während der koronaren Stent-Implantation (coronary stent implantation, CSI) muss reduziert werden, da sie nachweislich der größte Risikofaktor für die In-Stent-Restenose ist. Zu diesem Zweck benötigen Ingenieure präzise und verifizierte mathematische Materialschadensmodelle (material damage model, MDM), die das mechanische Verhalten von Arterienwänden während der CSI beschreiben können. Dieses MDM kann später für Computersimulationen verwendet werden, um verbesserte Stents oder vollständig neue vaskuläre Therapien zu entwickeln. Die zentrale Hypothese von LAESIO besagt, dass ein präzises MDM zur Stent-Optimierung nur durch die Korrelation der Last auf der Arterie während der CSI mit der Schwere der resultierenden Schädigung und der Zellproliferation ermöglicht werden kann. Das Hauptziel besteht darin, ein solches experimentell verifiziertes MDM zu entwickeln, um so genannte Schädigungsmechanismen (damage mechanisms, DM) innerhalb der Arterienwand mathematisch zu beschreiben, welche während einer CSI zu vaskulärer Schädigung führt. Als Grundlage für alle Untersuchungen wird das mechanische Zusammenspiel zwischen Stent und Blutgefäß während eines CSI in einem Experiment außerhalb des Organismus simuliert. Innerhalb einer Testkammer wird eine Probe von einer menschlichen Koronararterie (coronary artery, CA) in zwei zueinander senkrechten Richtungen gestreckt, während ein Stempel in Form einer Stent-Strebe auf die Innenseite der CA gedrückt wird. Dies erlaubt der Arterienwand künstliche Verletzungen zuzufügen, ähnlich wie diese, die während einer CSI auftreten. Um den Blutfluss und den Druck in einer CA zu simulieren, ist die Testkammer mit einem künstlichen Herz verbunden. Ein Bioreaktor mit Nährlösung ermöglicht darüber hinaus Langzeittests über mehrere Tage. Während des gesamten Experiments wird das Spannungs-Dehnungs-Verhältnis in axialer und Umfangsrichtung der Arterienprobe gemessen, was einen einzigartigen Einblick in die Veränderungen der Materialeigenschaften zwischen gesunden und verletzten Blutgefäßen ermöglicht. Histologische Untersuchungen und 3D-Bildgebungsverfahren werden durchgeführt, um die Schädigung der jeweiligen strukturellen Komponenten der Arterie, wie Kollagenfasern und Muskelzellen, zu untersuchen. Darüber hinaus wird die zeit- und lastabhängige Zellproliferation analysiert. Hochauflösende Mikroskope werden verwendet, welche die Untersuchung der Arterienwand im Nanobereich ermöglichen. Die erhaltenen Daten werden dann analysiert und mathematisch miteinander verknüpft. Die resultierenden Gleichungen sind in der Lage, DMs und Zellproliferation während der CSI mathematisch zu beschreiben. LAESIO liefert mit dem einzigartigen MDM den Herstellern von Stents und Wissenschaftlern ein leistungsfähiges Werkzeug, mit dem die negativen Auswirkungen von Stentprototypen durch Computersimulationen abgeschätzt werden können. Die Resultate aus diesem Projekt werden auch das Wissen über CA unter physiologischen und pathologischen Bedingungen signifikant verbessern.