A patient-specific multiscale agent-based modeling framework of restenosis after balloon angioplasty in a superficial femoral artery

Restenosis is the major limitation of percutaneous transluminal angioplasty (PTA) performed on superficial femoral arteries (SFAs). It consists of the progressive lumen re-narrowing because of altered cellular proliferative and synthetic activities leading to excessive tissue growth. PTA-induced mechanical damage and altered hemodynamics have been recognized to play a key role in the development of restenosis, because they concur to induce and maintain the inflammatory response of the arterial wall. Computational multiscale models integrating continuous- and agent-based approaches can provide powerful insights into the study of the complex events that act, both at the tissue and cellular scale, in the arterial wall remodelling process provoked by PTA. The present thesis work proposes a patient-specific multiscale framework of restenosis that couples a structural finite element model (FEM) and computational fluid dynamics (CFD) simulations with an agent-based model (ABM) of tissue remodelling. The angioplasty module simulated the PTA procedure on a patient-specific SFA model and computed the final vessel geometry and the intervention-induced mechanical damage in two scenarios differing for the dimension and maximum expansion of the used PTA balloon. The CFD simulations provided the wall shear stress (WSS) distribution along the luminal surface. The 2D ABM simulated cell and extracellular matrix (ECM) dynamics and the resulting arterial wall remodelling in multiple vessel cross-sections. The proposed framework successfully reproduced the intimal tissue growth as a function of both mechanical and hemodynamic stimuli. Furthermore, it may help to clarify the varying levels of restenosis that occur as a result of different degrees of balloon expansion during the endovascular procedure.

La restenosi è la principale causa di fallimento dell'angioplastica percutanea transluminale (percutaneous transluminal angioplasty, PTA) eseguita sulle arterie femorali superficiali. Consiste nel progressivo restringimento del lume a causa di un'alterata attività proliferativa e sintetica delle cellule che porta a una crescita eccessiva del tessuto. Il danno meccanico indotto dalla PTA e l'alterazione dell'emodinamica giocano un ruolo chiave nello sviluppo della restenosi, poiché concorrono a innescare e mantenere la risposta infiammatoria della parete arteriosa. I modelli computazionali multiscala che integrano sia approcci al continuo sia basati su agenti sono strumenti molto utili nello studio della ristenosi, in quanto il rimodellamento indotto dall’angioplastica è causato da processi complessi che agiscono sia a livello tissutale che cellulare. Il presente lavoro di tesi propone un framework multiscala paziente-specifico per lo studio della restenosi che associa ad un modello strutturale a elementi finiti (finite element modeling, FEM) e a simulazioni fluidodinamiche computazionali (computational fluid-dynamics, CFD) un modello basato su agenti (agent-based model, ABM) del rimodellamento del tessuto arterioso. Il modulo di angioplastica è stato usato per simulare l’intervento su un modello di arteria femorale superficiale specifico del paziente, calcolare il danno meccanico indotto dall'intervento e ricostruire la geometria del vaso ottenuta in due scenari che differivano solamente per la dimensione e la massima espansione del pallone da angioplastica utilizzato. Le simulazioni CFD hanno fornito la distribuzione dello sforzo di taglio della parete. Il modello ad agenti 2D ha simulato la dinamica delle cellule e della matrice extracellulare (extra-cellular matrix, ECM) e il conseguente rimodellamento della parete arteriosa in più sezioni trasversali del vaso nei due mesi successivi all'intervento. Il framework proposto ha riprodotto con successo la crescita del tessuto arterioso come funzione di stimoli meccanici ed emodinamici. Inoltre, ha permesso di far luce sulle differenze in termini di restenosi causate dall’utilizzo di diversi gradi di espansione del pallone nel corso della procedura endovascolare.