Impact of fluid dynamics and drug transport on restenosis in femoral arteries after endovascular treatment

The main aim of the PhD project is to investigate the role of fluid dynamics and drug transport in the development and treatment of restenosis in diseased superficial femoral arteries (SFAs) following endovascular approach. Specifically, two common procedures were considered: the implantation of self-expandable stents and the use of drug-coated balloons (DCBs). In the former case, the initiation and progression of restenosis are triggered by the action of local hemodynamics altered by the implanted device. In the latter case, even though DCBs widely reduce the rate of restenosis as compared to plain angioplasty, non-negligible oppositions to their use have clinically emerged, due to the recent concerns on DCB safety and efficacy in SFA. Specifically, further examinations on the drug kinetics and dynamics have been required in the SFA. In the present work, in-silico methods, namely computational fluid dynamics (CFD) coupled with mass transport analyses, are used to obtain information related to the vascular lumen remodeling and the efficacy of the investigated treatments. In details, the specific aims of this PhD project are: i) to investigate the impact of leg configuration movement on the femoral artery local hemodynamics; ii) to develop a computational framework to investigate the local hemodynamics in human stented SFAs using patient-specific imaging data; iii) to analyze the lumen remodeling trajectory occurring in human stented SFAs; iv) to investigate the role of local hemodynamics on the progression and prediction of restenosis in a stented SFA; v) to investigate the action of DCBs in terms of drug release and uptake during the SFA treatment.

Questo lavoro di Dottorato vuole investigare il ruolo della fluido-dinamica e del trasporto di massa nello sviluppo e trattamento della ristenosi in arterie femorali superficiali malate sottoposte a trattamento endovascolare. Nello specifico, sono state considerate due procedure cliniche: l'impianto di stent auto-espandibili e l'utilizzo di palloncini a rilascio di farmaco (DCB). Nel primo caso, l'iniziazione e la progressione della ristenosi sono attivate dall'azione dell'emodinamica locale alterata dal device impiantato. Nel secondo caso, anche se i DCB riducono notevolmente il tasso di ristenosi, sono recentemente emersi dubbi sulla solo efficacia e sicurezza nel trattamento di SFA. In questo lavoro, metodi in-silico, ovvero analisi fluido-dinamiche computazionali (CFD) accoppiate con analisi di trasporto di massa, sono utilizzati per ottenere informazioni relative al rimodellamento del lume vascolare e all'efficacia dei trattamenti investigati. Nel dettaglio, viene investigato l'impatto della configurazione e del movimento della gamba sull'emodinamica locale della SFA. Viene sviluppato un framework computazionale per investigare l'emodinamica local in SFA umane ricostruite da immagini diagnostiche. Inoltre viene analizzata la traiettoria di rimodellamento del lume in SFA stentate umane e quindi il ruolo dell'emodinamica locale sulla progressione e predizione della ristenosi. In ultimo, viene analizzata l'azione dei DCB in termini di rilascio e cinetiche del farmaco durante il trattamento della SFA.