Biomechanische Untersuchung der arteriellen Schädigung

LAESIO, an dem Ingenieure mit der interdisziplinären Unterstützung von Medizinern, Biologen und Mathematikern arbeiten, versucht zu klären, was mit dem Gewebe eines Blutgefäßes geschieht, wenn Stents dieses zusätzlich verletzen, anstatt nur Verengungen zu beheben. 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,mitdemdie negativenAuswirkungen vonStentprototypendurch Computersimulationen abgeschätzt werden können. Die Resultate aus diesem Projekt werden auch das Wissen über CA unter physiologischen und pathologischen Bedingungen signifikant verbessern.

Wenn Ärztinnen und Ärzte Stents einsetzen, um Herzkranzgefäße offen zu halten, kann das auch die Gefäßwände verletzen. Solche Verletzungen sind eine der Hauptursachen dafür, dass sich Gefäße nach einer Behandlung erneut verengen. Doch wie genau entstehen diese Schäden - und warum wird das Gewebe manchmal weicher? Um das herauszufinden, haben wir Herzkranzgefäße von Schweinen untersucht und sie mit einem Werkzeug belastet, das wie ein Teil eines Stents geformt ist. Mit einem speziell entwickelten Gerät namens LAESIO konnten wir messen, wie sich die Gefäßwand vor und nach der Belastung verändert. Anschließend haben wir mithilfe moderner 3D-Bildgebung die beschädigten Bereiche mit den gesünderen, weiter entfernten Stellen verglichen. Unsere Ergebnisse zeigen: Art und Ausmaß der Schäden - etwa Quetschungen, Erweichungen oder Veränderungen in der feinen Faserstruktur - hängen von der Richtung, der Stärke und dem genauen Ort der Belastung ab. Lichtmikroskopische Aufnahmen zeigten lokal ausgeprägte, längs-orientierte Bündel glatter Muskelzellen in der Intima mit verdoppelter innerer elastischer Membran. In gestempelten Proben fanden sich deutliche Gewebekompressionen unter dem Abdruck, gestreckte Zellkerne an den Läsionsseiten, Auswölbungen an den Rändern sowie strukturelle Schwächen in Intima und Media. Die Fluoreszenzmikroskopie-Analyse in MATLAB identifizierte molekular entfaltetes, mechanisch geschädigtes Kollagen, das quantitativ per Schwellenwert und qualitativ durch lokale Kontrastverbesserung ausgewertet wurde. Zusätzlich untersuchten wir die Oberfläche und inneren Strukturen einer Herzkranzarterie mit speziellen Elektronenmikroskopen. Dabei zeigte sich, dass die innere Schicht der Arterie (Intima) dem Druck der Stentstreben nicht standhält und vor allem an deren Enden beschädigt wird. Zudem verträgt die Arterie Belastungen rund um ihren Umfang besser als entlang ihrer Länge. Unter dem Transmissionselektronenmikroskop wurden deutliche Schäden an den Muskelzellen unter und neben der Stentstrebe sichtbar. Außerdem zeigte sich, dass sich wichtige Bausteine des Gewebes, die sogenannten Proteoglykane, nach der Belastung neu anordnen. Dieses Wissen kann helfen, Computer-Modelle von Stent-Eingriffen zu verbessern und so die Behandlung in Zukunft sicherer und wirksamer zu machen.