High-frequency wall vibrations in arteriovenous fistula: unveiling a novel mechanobiological stimulus for adverse vascular remodeling

Despite advancements in clinical, computational, and experimental research, the mechanobiological mechanisms underlying adverse vascular remodeling and failure in arteriovenous fistulae (AVF) for hemodialysis remain insufficiently understood. This thesis aims to investigate the association between flow-induced vascular wall vibrations and adverse remodeling in AVFs. A first a longitudinal computational fluid dynamics analysis was conducted on patient-specific data to explore the relationship between hemodynamics and AVF vascular remodeling. Following a comprehensive literature review on the impact of high-frequency mechanical stimuli on cell biology, a physiologically plausible fluid-structure interaction model was developed to capture flow-induced high-frequency mechanical stimuli on AVF vasculature. The model was then applied to a longitudinal dataset comprehending six end-stage renal disease patients with native radio-cephalic AVFs, monitored over one year. High-fidelity, patient-specific fluid-structure interaction simulations were performed at different time points to assess the relationship between flow-induced mechanical stimuli and AVF outcomes. Results revealed that complex flow patterns at the anastomosis and in the AVF vein cause the vascular wall to vibrate at frequencies exceeding hundreds of Hz. Patients with AVF complications exhibited higher frequency components in blood flow velocity and vascular wall displacement spectrograms compared to those maintaining a good patency over time. Significant differences in wall vibration amplitude and high-pass strain were observed before the onset of vascular remodeling, distinguishing patients who developed complications from those with stable AVF patency. Specific vibration frequency and amplitude levels appear associated with distinct types of vascular remodeling, suggesting their potential as biomarkers for AVF surveillance. These findings may inform the development of non-invasive AVF surveillance techniques based on vibration monitoring, enabling early detection of AVF complications and improving outcomes for hemodialysis patients.

Nonostante i progressi nella ricerca clinica, computazionale e sperimentale, i meccanismi biomeccanici alla base del rimodellamento vascolare e del fallimento delle fistole arterovenose (FAV) per emodialisi sono ancora poco compresi. Questa tesi indaga l'associazione tra le vibrazioni indotte dal flusso nella parete vascolare e il rimodellamento avverso nelle FAV. In primo luogo, è stata condotta un'analisi fluidodinamica longitudinale su dati specifici del paziente per esplorare la relazione tra emodinamica e rimodellamento delle FAV. Successivamente, un'analisi della letteratura ha evidenziato l'impatto degli stimoli meccanici ad alta frequenza sulla biologia cellulare. Sulla base di queste conoscenze, è stato sviluppato un modello di interazione fluido-struttura fisiologicamente plausibile per catturare gli stimoli meccanici ad alta frequenza che agiscono sulla parete vascolare delle FAV. Il modello è stato applicato a un dataset longitudinale di sei pazienti con malattia renale terminale e FAV radio-cefalica, monitorati per un anno. Simulazioni di interazione fluido-struttura sono state effettuate in diversi momenti temporali, per analizzare la relazione tra stimoli meccanici indotti dal flusso e gli esiti clinici delle FAV. I risultati hanno mostrato che il flusso turbolento a livello dell'anastomosi e nella vena delle FAV genera vibrazioni della parete vascolare a frequenze superiori a centinaia di Hz. I pazienti con complicazioni delle FAV presentavano componenti di frequenza più elevate negli spettrogrammi del flusso sanguigno e dello spostamento della parete vascolare rispetto a quelli con una buona pervietà. Differenze significative nell'ampiezza delle vibrazioni e nelle deformazioni ad alta frequenza sono state rilevate prima dell'inizio del rimodellamento, distinguendo i pazienti con complicazioni da quelli con FAV ben funzionanti. Specifici livelli di frequenza e ampiezza delle vibrazioni sembrano correlati a tipi distinti di rimodellamento vascolare, suggerendone il potenziale come biomarcatori per il monitoraggio delle FAV. Questi risultati potrebbero supportare lo sviluppo di tecniche di sorveglianza non invasiva basate sul monitoraggio delle vibrazioni, consentendo una diagnosi precoce delle complicazioni e migliorando la qualità della vita dei pazienti in emodialisi.