Vasoreactivity of the mouse aorta: a mixed experimental-computational approach

Cardiovascular diseases remain a leading cause of mortality worldwide, and altered vascular mechanics play a central role in their development and progression. Arterial behavior results from the interaction between passive extracellular matrix components and active contraction of Vascular Smooth Muscle Cells (VSMCs), known as vasoreactivity. However, experimental and computational investigations that clearly separate passive and active mechanical responses remain limited. This thesis, conducted at the Royal Institute of Technology (KTH) in Stockholm, aims to investigate mouse aortic vasoreactivity through a mixed experimental-computational approach. An in vitro, volume-controlled tube inflation setup is designed to discriminate passive properties, governed by elastin and collagen, from active arterial response. Pressure- diameter and tension-stretch relationships are obtained for fully relaxed (passive), normal tone, and maximally contracted (active) states. Smooth muscle activation shifts the pressure–diameter curve downward, reducing diameter by 17% within the physiological pressure range (10.7–16 kPa), while the tension–stretch curve shifts leftward, indicating additional active circumferential tension generated by VSMCs. The experimentally derived pressure-diameter data are used to calibrate a histo-mechanical numerical model. The numerical results reproduce, in the fully relaxed (passive) state, the typical s-shaped pressure–diameter curve, and predict a diameter reduction of 19.5% between relaxed and maximally contracted states within the physiological pressure range. Under normal tone conditions, about 40% of maximal contractile capacity is predicted to be engaged basally. The model shows the best agreement with experimental data under normal tone (NRMSE of 7.5%), followed by the active state (12.1%), and the lowest agreement in the passive state (28.4%). Overall, the combined experimental-computational analysis enables a quantitative separation of passive extracellular matrix and active VSMC contributions in mouse aortas and provides a basis for future studies on vascular tone regulation in cardiovascular models.

Le malattie cardiovascolari rappresentano una delle principali cause di mortalità a livello mondiale e le alterazioni della meccanica vascolare svolgono un ruolo centrale nel loro sviluppo e nella loro progressione. Il comportamento arterioso deriva dall’interazione tra i componenti passivi della matrice extracellulare e la contrazione attiva delle cellule muscolari lisce vascolari (VSMC), conosciuta anche come vasoreattività. Tuttavia, studi sperimentali e computazionali che consentono di distinguere chiaramente tra le risposte meccaniche passive e attive rimangono limitate. Questa tesi, svolta presso il Royal Institute of Technology (KTH) di Stoccolma, analizza la vasoreattività dell’aorta murina con un approccio sperimentale–computazionale. Un sistema di inflazione in vitro a volume controllato è stato progettato per distinguere le proprietà passive, governate da elastina e collagene, dalla risposta arteriosa attiva. Le relazioni pressione–diametro e tensione–allungamento sono state ottenute in condizioni di completo rilassamento (passivo), tono normale e massima contrazione (attivo). L'attivazione della muscolatura liscia induce uno spostamento verso il basso della relazione pressione–diametro, con una riduzione del diametro di circa il 17% nell’intervallo fisiologico di pressione (10.7–16 kPa), mentre l’analisi tensione–allungamento mostra uno spostamento verso sinistra, indicando una tensione circonferenziale attiva aggiuntiva generata dalle VSMC. I dati pressione–diametro sono stati usati per calibrare un modello numerico isto-meccanico. Il modello riproduce la risposta arteriosa non lineare nello stato rilassato e predice una riduzione del diametro del 19.5% tra condizioni passive e di massima contrazione. In condizioni di tono normale, il modello indica che circa il 40% della capacità contrattile massima è già attiva. Il modello mostra la migliore concordanza con i dati sperimentali in condizioni di tono normale (NRMSE del 7,5%), seguito dallo stato attivo (12,1%), e la minore concordanza nello stato passivo (28,4%). Nel complesso, l’analisi sperimentale–computazionale consente di separare i contributi passivi e attivi nell’aorta murina e fornisce una base per futuri studi sul tono vascolare.