A multiscale computational framework of restenosis after femoral artery angioplasty : effects of mechanical damage and hemodynamics on cellular dynamics

Restenosis represents the major limitation of percutaneous transluminal angioplasty (PTA) of superficial femoral arteries (SFAs). It consists of the progressive lumen re-narrowing as a consequence of a maladaptive inflammatory-driven response characterized by excessive cellular proliferative and synthetic activities leading to tissue growth. PTA-induced mechanical damage and altered hemodynamics have been recognized to play a key role in the development of restenosis. Computational multiscale models integrating continuous- and agent-based approaches can provide powerful insights into the study of the complex and multiscale network of events involved in the arterial wall remodeling activated by PTA. The present thesis work proposes a multiscale framework that couples a structural finite element model (FEM) and computational fluid dynamic simulations (CFD) with an agent-based model (ABM) of arterial remodeling. The framework was applied to both an idealized and patient-specific SFA geometry. The FEM module simulated the PTA procedure and computed the final vessel geometry and the intervention-induced mechanical damage, the CFD simulations provided the wall shear stress (WSS) distribution, and the 2D ABM simulated cell and extracellular matrix (ECM) dynamics and the resulting arterial wall remodeling in multiple vessel cross-sections. The proposed framework successfully reproduced the arterial remodeling as a function of both mechanical and hemodynamic stimuli, demonstrating the capability to simulate the short-term arterial response to the endovascular procedure.

La principale limitazione della procedura di angioplastica percutanea transluminare (PTA) eseguita su arterie femorali superficiali (SFA) consiste nella ristenosi, ossia il restringimento del lume dovuto ad una risposta infiammatoria caratterizzata da un’eccessiva attività proliferativa e sintetica delle cellule. Il danno meccanico e l’alterazione dell’emodinamica locale indotti dalla PTA rivestono un ruolo chiave nella comparsa della ristenosi. Lo sviluppo di modelli multiscala computazionali che prevedono l’accoppiamento di modelli al continuo e modelli basati su agenti (agent-based model - ABM) permette di ottenere strumenti potenti per studiare la complessa rete di eventi multiscala innescata dalla PTA. Nel presente lavoro di tesi è stato quindi sviluppato un modello multiscala che accoppia un modulo strutturale agli elementi finiti (FEM) e simulazioni fluidodinamiche computazionali (CFD) con un modulo basato su agenti (ABM) in grado di riprodurre il rimodellamento della parete arteriosa. Il modello è stato applicato sia ad una geometria di SFA idealizzata e sia ad una paziente-specifica. In particolare, il modulo FEM è stato usato per simulare la PTA, calcolando la geometria finale del vaso e il danno meccanico indotto dall’intervento. Inoltre, le simulazioni CFD hanno permesso di ottenere la distribuzione degli sforzi di taglio, mentre l’ABM ha riprodotto le dinamiche cellulari ed extracellulari, che hanno portato al rimodellamento della parete arteriosa in multiple sezioni trasversali del vaso. Il modello proposto riproduce con successo il rimodellamento dell’arteria in risposta ad entrambi gli stimoli, dimostrando la sua capacità di simulare nel breve termine la risposta arteriosa alla procedura endovascolare.