SimLivA II - Simulationsgestützte Leberbewertung für Spenderorgane II -- Kontinuumsbiomechanische Modellierung zur Beurteilung von Ischämie-Reperfusionsschäden bei Lebertransplantation und Maschinenperfusion

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Uta Dahmen; Dr. Matthias König; Professor Dr.-Ing. Tim Ricken; Privatdozent Dr. Hans-Michael Tautenhahn
• Fachliche Zuordnung: Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik ; Allgemein- und Viszeralchirurgie ; Bioinformatik und Theoretische Biologie ; Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 465194077

Hintergrund: Die Lebertransplantation (LTx) ist die einzige kurative Behandlungsoption für akute und chronische Lebererkrankungen im Endstadium. Der demografische Wandel und der westliche Lebensstil führen zu einer steigenden Rate älterer, multimorbider potenzieller Empfänger und Spender. Diese Spenderorgane, sogenannte marginale Organe, sind häufig von einer Leberzellverfettung betroffen, die die Qualität des Spenderorgans erheblich beeinträchtigt. Grund dafür ist die Veränderung der Gewebestruktur, die zu einer Beeinträchtigung der Perfusion führt, was wiederum den hepatischen Stoffwechsel und die Organfunktion beeinflusst. Der Transplantationschirurg steht vor der klinischen Entscheidung, das Organ zu akzeptieren oder abzulehnen. Abhängig von dieser Entscheidung ist das postoperative Risiko für den Empfänger bzw. das Risiko, auf der Warteliste zu versterben, deutlich erhöht. Die zwei wichtigsten kritischen Faktoren sind das Ausmaß der Verfettung und die Dauer der kalten Ischämie. Beide wirken sich auf den Schweregrad des Ischämie-Reperfusionsschaden aus. Die Maschinenperfusion stellt aktuell den vielversprechendsten Ansatz zur Lösung dieses Problems dar. Ziel: In unserem gemeinsam im Co-Design konzipierten, interdisziplinären Projekt "Simulationsgestützte Bewertung von Spenderorganen vor Lebertransplantation (SimLivA 2)" wird der Einfluss von verschiedenen Maschinenperfusionsmethoden auf die Qualität des Organs mathematisch modelliert. Forschungsfragen sind: (i) Wie kann die Temperatur als Einfluss auf die Materialparameter in dem Modell integriert werden? (ii) Wie kann das Modell um eine Gallenphase mit einer eigenen Flussrichtungen erweitert werden? (iii) Wie können die Modelle verifiziert und mit experimentellen und klinischen Daten parametrisiert und validiert werden? (iv) Wie können die Ergebnisse der Modelle in ein klinisches simulationsgestütztes Scoring System überführt werden? Methoden: Zur Erreichung dieser Ziele werden wir unser gekoppeltes kontinuums-biomechanisches Mehrphasen- und Mehrskalen-PDE-ODE-Modell des Leberläppchens erweitern und anpassen. Die experimentelle und klinische Datenerfassung zur Modell-Parametrisierung und -validierung wird in enger Zusammenarbeit mit der Modellierung konzipiert. Unser zukünftiges Modell koppelt Struktur, Perfusion und Funktion der Leber über das Zusammenspiel zwischen den mechanischen Eigenschaften des Transplantats, der sinusoidalen Perfusion und den molekularen Stoffwechselwegen. Mit diesem Modell wollen wir die Vorgänge während einer Maschinenperfusion numerisch simulieren und ein klinisches simulationsgestütztes Scoring System entwickeln. Das Modell soll das Ausmaß der Leberschädigung und der frühen Transplantatfunktion vorhersagen und so eine bessere Entscheidung pro oder contra der Transplantation eines marginalen Spenderorgans und der Nutzung von Maschinenperfusion ermöglichen. Dies ist der erste Schritt in Richtung einer simulationsgestützten klinischen Entscheidungshilfe.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2311: Robuste Kopplung kontinuumsbiomechanischer in silico Modelle für aktive biologische Systeme als Vorstufe klinischer Applikationen - Co-Design von Modellierung, Numerik und Nutzbarkeit