Multiskalen biomechanische Untersuchung der menschlichen Aorta

Arterien besitzendie bemerkenswerte Fähigkeitaufeinen geändertenBlutfluß, auf Gefäßerkrankungen und auf Gefäßverletzungen zu reagieren und sich dementsprechen zu adaptieren. Bei Gefäßerkrankungen, wie z.B. der Atherosklerose, verändern sich die Eigenschaften der Arterie als Folge eines Ab- und Umbaus von Gewebskomponenten auf unterschiedlichen Ebenen: der Molekül-, der mikroskopischen und makroskopischen Gewebsebene. Dieser Projektantrag basiert auf der Tatsache, dass aus der Kombination von biomechanischen Tests sowie Strukturuntersuchungen auf unterschiedlichen Ebenen Materialgesetze abgeleitet werden können, die dann in weiterer Folge genutzt werden sollen, um physiologische und pathophysiologische Prozesse auf unterschiedlichen Ebenen besser verstehen und untersuchen zu können. Des Weiteren erlaubt dieses Vorgehen bisher unbekannte Beziehungen zwischen Strukturänderungen und Erkrankungen herzustellen. In dieser Studie werden biomechanische Charakterisierungs- und Strukturuntersuchungsmethoden im Makro-, Mikro- und Nanobereich kombiniert, um multiskalen Materialgleichungen entwickeln und validieren zu können. Dabei werden mit Hilfe von realistischen biaxialen Zugversuchen unter einem Multiphotonen-Mikroskopgesunde underkrankte menschliche Hauptschlagadern(Aorten) gleichzeitig mechanisch und mikrostrukturell untersucht, um makro- und mikroskopische Materialeigenschaften dieser Aorten zu erhalten. Des Weiteren werden die Nanostrukturen dieser Aorten,wieinterfibrilläre Proteoglykane, Bestandteile des Kollagens (Tropokollagen, Kollagenfibrillen), des Elastins (Tropoelastin, Fibrillin) und der glatten Muskelzellen (Myosin, Aktin) mittels3D Transmissionselektronenmikroskopiebei unterschiedlichen makrokopischen Deformationen der Aorten bestimmt. Eine Kombination der experimentell bestimmten mechanischen und struktrurellen Daten erlaubt es somit neuartige multiskalen Materialgesetze abzuleiten, welche Mechanismen explizit im Nano-, Mikro- und Makrobereich so wie deren Kopplungseffekte vereinen. Die Innovationen in diesem Projekt sind die Entwicklung und Anwendung von experimentellen Methoden auf verschiedenen hierarchischen Ebenen, sowie eine intelligente Kombination, Integration und Validierung dieserexperimentellenTechniken,um dieRolleder wesentlichen Arterienbestandteile in Bezug auf die Arterienmechanik, Physiologie und Pathologie zu erklären. Dieser Ansatz ist ein großer Schritt nach vorne um Entwicklungs-, Wachstums- und Remodellierungsprinzipien von biologischen Geweben und deren Antwort auf pathologische Zustände erforschen und verstehen zu können. Dieses Projekt untersucht klar definierte klinisch-medizinische Probleme aus ingenieurwissenschaftlichen und biologischen Sichtweisen. Der interdisziplinäre Charakter des vorgeschlagenen Forschungsprojekts involviert Wissenschaftler aus unterschiedlichsten Forschungsbereichen, wie z.B. der Biomechanik, Mechanobiologie, Ultrastrukturanalyse, Histologie und Pathologie.

Herz-Kreislauf-Erkrankungen stellen nicht nur in Österreich, sondern weltweit die Haupttodesursache dar. Mit der Aorta in Verbindung stehende Herz-Kreislauf-Erkrankungen sind die Atherosklerose, ein Aneurysma oder die Aortendissektion. Die Aorta ist die Hauptschlagader des menschlichen Körpers, entspringt direkt am Herzen und transportiert sauerstoffreiches Blut zu allen Organen. Da eine Versteifung oder eine Ruptur der Aorta tragische Folgen mit sich bringen kann, ist es im Interesse aller, den Zustand der körpereigenen Aorta zu kennen. Ein großes Problem ist, dass die mechanischen Eigenschaften der Aorta noch nicht vollständig verstanden sind. Im Gegensatz dazu kann eine Stahlkonstruktion, z.B. eine Brücke, von Ingenieuren auf sichere Weise entworfen und eine gebaute Brücke auf ihren Zustand und auf Anzeichen für ein bevorstehendes Versagen überprüft werden. Dies ist möglich, da die mechanischen Eigenschaften von Stahl sehr gut erforscht sind. Anzeichen für ein bevorstehendes Versagen der Aorta sind jedoch nicht bekannt. Es ist daher sehr wichtig, die mechanischen Eigenschaften von Aorten zu untersuchen. Das Projekt Multiscale Biomechanical Investigation of Human Aortas konzentrierte sich auf Experimente, die in der Lage sind, Veränderungen in der Mikro- und Nanostruktur von menschlichem Aortengewebe zu untersuchen, die durch unterschiedliche mechanische Belastungen verursacht werden. Ein Ziel war es, Anzeichen in der Struktur zu identifizieren, die zu einem Aortenversagen führen könnten. Konkret präparierten wir quadratische Proben aus der Aortenwand und streckten diese mittels biaxiale Dehnungstests in Umfangs- und axialer Richtung, um physiologische Dehnungen, denen die Aorta im menschlichen Körper ausgesetzt ist, nachzuahmen. Gleichzeitig beobachteten wir mittels Multi-Photonen-Mikroskopie die Mikrostruktur, insbesondere der hauptlasttragenden Kollagen- und Elastinfasern unter verschiedenen Belastungen. Zusätzlich haben wir mit Transmissionselektronenmikroskopie in diese Kollagenfasern hineingeschaut und ihre Nanostruktur untersucht. Mit dieser Technik konnten wir Kollagenfibrillen und Proteoglykane beobachten, wobei die mechanische Funktion der Proteoglykane ungeklärt ist. Basierend auf unseren Experimenten beobachteten wir, dass Kollagen- und Elastinfasern in den unbelasteten Aorten meistens wellig waren. In einigen unbelasteten Aorten waren Kollagen- und/oder Elastinfasern jedoch bereits ausgerichtet. Aorten mit ausgerichteten Kollagenfasern waren sehr steif, was dazu führt, dass diese unelastischen Aorten den Blutfluss und somit das Herz nicht unterstützten. Aorten mit geraden Elastinfasern rissen schon während des biaxialen Dehnungstests, und ein Aortenwandriss verursacht innere Blutungen mit einem hohen Sterberisiko. Die oben genannten Ergebnisse bedürfen weiterer Validierung, sind jedoch ein wichtiger Schritt zu einem besseren Verständnis der Auswirkungen von Belastungen auf die Mikro- und Nanostruktur der menschlichen Aorta. Mit den in diesem Projekt gewonnenen mechanischen und strukturellen Daten über menschliche Aorten können detaillierte and damit zuverlässigere Computersimulationen zur Untersuchung des Rupturrisikos und der entsprechenden Rupturmechanismen von Aorten durchgeführt werden.