Are Computer Simulations Misleading Us About the Pathobiology of Cerebrovascular Diseases?

Det er estimert at 5% av befolkningen har ballongformede utposninger på blodårene i hjernen. Disse kalles aneurismer og er sprøere og tynnere enn friske blodårer. Hvis den sprekker, fører det til en spontan hjerneblødning. Denne typen hjerneslag er blant de dødeligste formene for slag, og skjer hos relativt unge mennesker, med en snittalder på bare 51 år. Beregningsorientert biomekanikk har blitt et essensielt verktøy for å studere kreftene som virker på blodåreveggen, særlig med datasimuleringer av blodstrømning basert på medisinske bilder av pasienter. I en klinisk sammenheng er det endelige målet å kunne forutsi eksakt hvilke pasienter som vil få hjerneslag, og som derfor vil trenge behandling. Men, resultatene i de store kliniske journalene spriker, og enkelte rapporterer liten eller ingen verdi av numeriske analyser. En mulig forklaring kan være at disse numeriske verktøyene generelt er vanskelige å bruke samt at standardinnstillingene gir raske, men unøyaktige resultater som ofte overser ?turbulent? blodstrømning. I dette prosjektet har vi utviklet nye og sofistikerte numeriske verktøy som kan simulere både turbulent-lignende strømninger og fluid struktur interaksjoner. Disse verktøyene ble så brukt til å demonstrere at åreveggen kan vibrere i enkelte karsykdommer og viste at disse kan være relative vanlige i aneurismer. Deretter undersøkte vi om det var forskjeller i strømningen i halspulsåren i pasienter med ett aneurisme, hvor vi hadde medisinske bilder av den andre siden å sammenligne med. Resultatene viste at det var økte trykkfluktuasjoner på den siden av vaskulaturen som hadde en aneurisme. De ekvivalente vibrasjonene ble brukt til å guide laboratorieeksperimenter på endothelceller. Vibrasjoner over en viss frekvens forårsaket dysfunksjonelle celler og økt permeabilitet som kan avdekke fundamentale egenskaper ved blodårer.

I dette prosjektet har vi utviklet nye numeriske verktøy med unike egenskaper som er fritt tilgjengelige. Vi har brukt disse til å vise fundamentale egenskaper ved karsystemet, nemlig høyfrekvente vibrasjoner ved enkelte sykdommer. På kort sikt har disse resultatene vist seg å være svært kontroversielle, men de er også godt dokumentert. Mest av alt har det tiltrukket seg oppmerksomhet fra utenlandske forskingsmiljøer som prosjektlederen har knyttet sterke bånd til og startet nye samarbeidsprosjekter med. På litt lengre sikt kan vi muligens forvente oss et paradigmeskifte der vi ikke bare studerer krefter på åreveggen, men også på dynamiske krefter som virker i selve veggen.

Stroke is one of the leading causes of death worldwide caused by either atherosclerotic plaques or defect balloon-shaped blood vessels in the brain (aneurysms). Both diseases are focally distributed, which highlights the role of blood flow-induced wall shear stress. Direct measurements of these stresses are difficult and medical image-based computational fluid dynamics (CFD) has been extensively used to study the 'patient-specific' local abnormal forces in search for a mechanistic biological link to disease initiation. However, while robust, the default settings in most commercial codes trade accuracy for speed, and are generally incapable of handling complex flows. The principal investigator (PI) has previously shown that such commercial tools can be misleading about the nature of flow in the cardiovascular system. The PI's ambition is to holistically answer fundamental questions in vascular biology critical for our understanding of disease initiation, which can ultimately pave the way for prevention or reversal of the disease. The key innovation is development of novel and sophisticated numerical models to test hypotheses in biomechanics and to guide in vitro cell experiments. These experiments will elucidate the role of turbulent-like flows in endothelial phenotype and the frequency spectrum that endothelial cells can sense, distinguish, and finally respond via phenotype shifting. Since aneurysms normally only occurs at one side of the blood vessels in the brain, we will investigate whether there are in vivo differences in flow phenotypes at the aneurysmal side. These experiments will rule out any patient genetic predisposition and effects of systemic risk factors allowing for investigation of hemodynamic effects on aneurysm initiation and development. This unique set of in silico, in vitro, and in vivo experiments will authoritatively elucidate the role of hemodynamic instabilities in aneurysm initiation.