Vaskuläre Wachstums- und Umbildungsprozesse in Aneurysmen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Johannes Cyron
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 257981274

Das noch junge Gebiet der Mechanobiologie, das die Auswirkung mechanischer Reize auf physiologische Prozesse sowohl auf Zell- als auch Gewebeebene erforscht, hat in den vergangenen beiden Jahrzehnten rasch an Bedeutung gewonnen. Ein wichtiges Anwendungsfeld dieser Disziplin sind Wachstum- und Umbildung biologischen Gewebes insbesondere in Blutgefäßen. Diese spielen nicht nur in heranwachsenden Organismen eine Rolle, sondern beispielsweise auch in Aneurysmen, krankhaften lokalen Gefäßaufweitungen, die in vielen Fällen beständig wachsen und schließlich zur Ruptur der Gefäßwand und damit oft auch zum Tod des Patienten führen. Bislang wird das Rupturrisiko von Aneurysmen vor allem aufgrund ihres Durchmessers bzw. der mechanischen Spannung in ihren Wänden abgeschätzt, während zukünftige Wachstumsprozesse trotz ihrer offensichtlich hohen Relevanz nahezu vollständig vernachlässigt werden. Ein wesentlicher Grund dafür ist sicherlich die immer noch stark eingeschränkte Genauigkeit der im Verlauf des letzten Jahrzehnts entwickelten Modelle für die quantitative Vorhersage von Wachstum und Umbildung in Blutgefäßen.Das vorliegende Forschungsprojekt verfolgt daher im Wesentlichen vier Ziele:Erstens sollen deutlich verbesserte quantitative Modelle für Wachstums- und Umbildungsprozesse in Blutgefäßen entwickelt werden, indem die bestehenden Modelle auf eine mathematisch stringentere Grundlage gestellt und gleichzeitig so erweitert werden, dass sie die Wachstum und Umbildung zugrundeliegenden wesentlichen mikroskopischen Prozesse ausreichend präzise erfassen können.Zweitens sollen basierend auf den so gewonnenen verbesserten Modellen Computersimulationen mit Hilfe der Methode der Finiten Elemente durchgeführt werden, um verschiedene zur Zeit noch unzureichend verstandene Phänomene bei Bildung und Wachstum von Aneurysmen zu untersuchen, etwa das bevorzugte Wachstum sackförmiger Hirnaneurysmen hinter Verzweigungspunkten im Gefäßsystem.Drittens sollen Risikoindizes für Aneurysmen entwickelt werden, die eine Diagnose nicht mehr nur fast ausschließlich aufgrund von Durchmesser oder Wandspannung ermöglichen, sondern aufgrund mathematisch fundierter Modellierung und Simulation zukünftiger Wachstums- und Umbildungsprozesse.Viertens soll eine neue Klasse computergestützter Diagnosemethoden für Aneurysmen entwickelt werden, die patientenspezifische physiologische Faktoren (auch jenseits der Aneurysmengeometrie selbst) so präzise wie möglich berücksichtigen und Diagnosen nicht nur auf Basis einfacher Risikoindizes treffen, sondern mit Hilfe komplexer durch maschinelles Lernen optimierter Entscheidungsalgorithmen.Allgemein soll das Forschungsprojekt so dazu beitragen, die Prinzipien und Methoden der technischen Mechanik, einer bislang vor allem in Maschinenbau und Bauingenieurwesen eingesetzten Disziplin, so zu erweitern, dass zunehmend auch das Verhalten biologischer Systeme verstanden und zuverlässig vorhersagt werden kann.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen