Multiscale computational modeling of arterial tissue in health and disease

Abstract

Os modelos computacionais multiescala baseados em elementos de volume representativos (EVRs) são uma ferramenta relevante para investigar a relação entre o comportamento mecânico das artérias e fenômenos biofísicos que ocorrem em menores escalas de comprimento. A microestrutura do tecido arterial resulta da atividade de células vasculares capazes de identificar e responder a estímulos mecânicos por meio de sua matriz extracelular. Em artérias saudáveis, esse mecanismo é responsável por manter a integridade e a funcionalidade do tecido, ao passo que, em condições patológicas, ele pode induzir mudanças microestruturais em resposta a alterações mecânicas. Nos aneurismas da aorta abdominal (AAAs), sabe-se que a expansão localizada da aorta está associada à perda de elastina, à apoptose das células musculares lisas e a uma intensa remodelagem das fibras de colágeno (growth and remodeling, G&R) promovida por células mecanossensoras. O presente trabalho introduz uma nova classe de modelos multiescala do tecido arterial baseados em EVR, construídos com base em uma combinação de homogeneização computacional e a técnica de embedded elements. Esses modelos são usados para lançar luz sobre a formação de uma camada neo-adventícia no lado abluminal dos AAAs, conforme demonstrado por resultados experimentais recentes. Esta tese cumulativa consiste de quatro artigos científicos. O primeiro estudo traz uma revisão dos principais aspectos da biomecânica vascular em diferentes escalas de comprimento, bem como de modelos anteriores de tecido arterial baseados em EVRs. No segundo estudo, o uso da técnica de embedded elements em um contexto multiescala é apresentado, incluindo detalhes a respeito da correspondente implementação numérica e uma discussão sobre a influência do tamanho do EVR e de diferentes condições de contorno multiescala. No terceiro e quarto estudos, EVRs de aortas abdominais saudáveis e aneurismáticas são construídos e simulados sob diferentes carregamentos biaxiais a fim de investigar como a formação de uma camada neo-adventícia pode estar relacionada à mecanotransdução e ao G&R pelas células vasculares. Os resultados sugerem uma possível função protetora dessa nova camada, especialmente em AAAs maiores, contribuindo portanto para uma melhor compreensão dessa grave doença, cuja patogênese ainda não foi totalmente esclarecida.

Abstract: Multiscale computational models based on representative volume elements (RVEs) constitute a valuable tool for investigating the relationship between the mechanics of arteries and biophysical phenomena that occur at smaller length scales. The microstructure of arterial tissue results from the activity of vascular cells that can sense and respond to mechanical stimuli through their extracellular matrix. In healthy arteries, this mechanism is responsible for maintaining tissue integrity and functionality, whereas in pathological conditions it can induce microstructural changes in response to altered mechanics. In abdominal aortic aneurysms (AAA), the localized bulging of the aorta is known to be associated with elastin loss, smooth muscle cell apoptosis, and intense collagen fiber growth and remodeling (G&R) promoted by mechanosensing cells. In the present work, a new class of multiscale RVE-based models of arterial tissue is proposed, based on a combination of computational homogenization and the embedded elements technique. These models are then used to shed light on the formation of a neo-adventitia on the abluminal side of AAAs, as demonstrated by recent experimental findings. This cumulative dissertation consists of four scientific papers. The first study reviews key aspects of vascular biomechanics at different length scales as well as previous RVE-based models of arterial tissue. In the second study, the use of the embedded elements technique in a multiscale setting is introduced and details of the corresponding numerical implementation are presented, including a discussion on the influence of RVE size and of different multiscale boundary conditions. In the third and fourth studies, RVEs of healthy and aneurysmatic abdominal aortas are constructed and simulated under different biaxial loading conditions to investigate how the formation of a neo-adventitia might be related to mechanotransduction and G&R by vascular cells. The results suggest a possible protective role of this new layer, especially in larger AAAs, and thus contribute to a better understanding of this serious disease, the pathogenesis of which is not yet fully understood.