A histology-informed numerical structural and fluid mechanical investigation of pericardial patches for treatment of pulmonary artery stenosis

Pulmonalarterienstenose (PAS) ist eine Verengung der Pulmonalarterie, die den Blutfluss vom rechten Ventrikel zu den Lungen verringert. Schwere Fälle, die einen Eingriff erfordern, werden kurz nach der Geburt diagnostiziert und treten häufig in Verbindung mit angeborenen Herzfehlern auf. Die Behandlung erfolgt durch Ballonangioplastie, Stentimplantation oder chirurgische Patch-Augmentation. Für Letzteres werden autologe, allogene, bovine Perikard- oder synthetische Materialien verwendet. Es gibt Berichte über Kollaps von gepatchten Lungenarterien, die zu Restenose und der Notwendigkeit einer erneuten Operation führen, wobei die Pathomechanismen noch unklar sind. Wir vermuten, dass die Ursache für diese Komplikation sowohl struktureller als auch strömungsmechanischer Natur ist: Eine Diskrepanz zwischen den mechanischen Eigenschaften des natürlichen Arteriengewebes und des Patch-Materials könnte zu ungünstigen Spannungs- und Dehnungsverteilungen und unphysiologischen Veränderungen der Arterienform führen. Veränderungen der Lumenform und der strukturellen Steifigkeit der Blutgefäße beeinflussen das Strömungsprofil des Blutes und wirken sich wiederum auf das strukturelle Verhalten des Gefässes aus. Dies kann zu Instabilitäten, d. h. zum Kollaps der Arterie, führen. Obwohl die Prävalenz mit 2–3 % aller angeborenen Herzanomalien gering ist, ist eine schwere PAS mit starken Leiden und Risiken für das Neugeborene sowie einer enormen Belastung für die betroffenen Familien verbunden. Daher besteht ein starker Anreiz, das Problem des Pulmonalarterienkollapses besser zu verstehen und zu lösen.

Erste mechanische Tests an menschlichem Perikardgewebe zeigten lokale Dehnungsinhomogenitäten, unerwartete Scherdehnungen, eine grosse Variabilität der makroskopischen biaxialen Steifigkeiten und biaxiale Steifigkeitsverhältnisse zwischen den beiden Belastungsrichtungen, die nicht erklärbar waren (Abbildung). Diese Beobachtungen verdeutlichen die Rolle der noch unbekannten Mikrostruktur des Perikards, d. h. die Orientierungsverteilung der Kollagen- und Elastinnetzwerke und die Unkenntnis über die Hauptrichtungen der Dehnung. Während es zahlreiche Forschungsarbeiten zur Mikrostruktur von Arterien und deren Auswirkungen auf das mechanische Verhalten und die physiologische Funktion gibt, ist über das Perikard, das zur Verstärkung von Arteriengewebe verwendet wird, nur wenig bekannt.

Das langfristige Ziel des Kooperationsprojekts zwischen BUTE und ZHAW ist es, den aktuellen Stand der Technik für die Behandlung von schwerer PAS durch eine mikromechanisch fundierte Auswahl eines Patches zur Arterienverstärkung zu verbessern. Dies soll durch eine detaillierte Untersuchung der Histologie von Perikard-Patches erreicht werden, die in direktem Zusammenhang mit ihrem mechanischen Verhalten unter uni- und biaxieln Belastungsbedingungen steht. Numerische Simulationen sowohl des strukturellen mechanischen Verhaltens der augmentierten Arterie als auch der Fluid-Struktur-Wechselwirkungen zwischen Arterie und Blutfluss sollen die Empfindlichkeit des Systemverhaltens gegenüber mikrostrukturellen Veränderungen des Patches erklären. Sie sollen unsere Hypothese einer strukturellen und fluidmechanischen Erklärung für das Auftreten eines Pulmonalarterienkollapses nach dem Aufbringen des Patches bestätigen.