Comparison between neointimal regrowth and fluid dynamic results in a murine fistula model: a workflow development

It has been estimated that more than 2 millions of patients are undergoing chronic hemodialysis worldwide, and this number is likely to increase due to the ageing of the population. This treatment allows patient with renal failure to purify their blood thanks to external equipment. The arteriovenous fistula (AVF), a surgically created anastomosis between an artery and a vein, guarantees a safe way to connect the patient to the artificial kidney. Effort has been put into researching on how to improve synthetic grafts, as they allow to create an AVF in fragile patients. Silkothane® , an innovative biohybrid graft has been developed, and proven effective as medium sized vascular prostheses. Pederzani, Caimi et al. proceeded to develop an integrated approach, coupling in vitro, in silico and in vivo (rat model) experiments to test how the compliance mismatch could affect the performance of such grafts, in smaller size. This thesis objective is to develop a workflow to facilitate the comparison between fluid dynamic variables and neointimal regrowth. The fluid dynamic variables, focusing on wall shear stresses and related indexes, were computed in silico, thanks to a fluid-structure interaction (FSI) analysis, run on an idealized geometry. On the other hand the neointimal growth data was obtained from histologies of explanted tissues after sacrifice from in vivo experiments conducted on rat models. This goal was achieved by translating the neointimal information (carried by the real model, extracted from histologies) on the idealized model. Firstly, to compensate for collapsed tissues, the real geometry was expanded thanks to a finite element simulation, then it was deformed on the idealized geometry, performing a non-rigid registration. In the future this approach could be used to investigate how hemodynamics and wall shear stresses are related to neointimal hyperplasia, helping to design vascular grafts.

Si stima che più di 2 milioni di pazienti siano sottoposti a emodialisi cronica in tutto il mondo, e questo numero è destinato a crescere a causa dell'invecchiamento della popolazione. L’emodialisi consente ai pazienti con insufficienza renale di purificare il sangue grazie a un'apparecchiatura esterna. La fistola arterovenosa (AVF), un'anastomosi creata tra un'arteria e una vena, garantisce un modo sicuro per collegare il paziente al rene artificiale. La ricerca si è concentrata sul miglioramento di graft sintetici, che consentono di creare una AVF in pazienti fragili. Un innovativo graft bioibrido, Silkothane®, si è dimostrato efficace come protesi vascolare di medie dimensioni. Pederzani, Caimi et al. hanno sviluppato un approccio integrato, abbinando esperimenti in vitro, in silico e in vivo (usando i ratti) per verificare come la diversa compliance rispetto al tessuto nativo possa influenzare le prestazioni di tali graft, per protesi di calibro minore. L'obiettivo di questa tesi è sviluppare un workflow per facilitare il confronto tra le variabili fluidodinamiche e la ricrescita neointimale. Le variabili fluidodinamiche, in particolare le sollecitazioni di taglio alla parete e relativi indici, sono state calcolate in silico, grazie a una simulazione di interazione fluido-struttura (FSI), eseguita su una geometria idealizzata. I dati sulla crescita neointimale, invece sono stati ottenuti dalle istologie realizzate a partire dai tessuti espiantati, dopo il sacrificio dei ratti usati come modello per gli esperimenti in vivo. Questo obiettivo è stato raggiunto trasferendo lo spessore di neointima (presente sul modello reale, estratto dalle istologie) sul modello idealizzato. Per compensare il collasso dei tessuti, la geometria reale è stata espansa grazie a una simulazione a elementi finiti, quindi deformata sulla geometria idealizzata, grazie a una registrazione non rigida. In futuro questo approccio potrebbe essere utile a investigare la relazione fra iperplasia intimale ed emodinamica, contribuendo alla progettazione di graft.