Modellierung und Simulation der pharmakomechanischen Fluid-Struktur-Interaktion für eine verbesserte Behandlung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Daniel Balzani; Professor Dr. Axel Klawonn; Professor Dr. Oliver Rheinbach
• Fachliche Zuordnung: Mechanik ; Mathematik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 465228106

In diesem Projekt zielen wir auf die robuste rechnerische Modellierung der Kopplung von Fluid-Struktur-Interaktion mit pharmakologischen Effekten hin zu einer verbesserten Behandlung von kardiovaskulären Erkrankungen. In der Zukunft könnte dies zu einem virtuellen Labor führen, um Ärzte und Patienten bei ihren Entscheidungen zu unterstützen. Ein Beispiel, wo dies angewendet werden kann, sind atherosklerotische Arterien; hier kann eine Plaqueruptur zu einem Herzinfarkt oder einem Schlaganfall führen. Ein anderes wichtiges Beispiel ist die Aortendilatation, die durch eine Schwächung des Bindegewebes bei Patienten mit Marfan-Syndrom entsteht und deren Ruptur zu tödlichen inneren Blutungen führt. Das Hauptziel ist die Entwicklung eines robusten numerischen Frameworks mit geeigneten Modellen für die rechnergestützte Simulation der Auswirkungen von Medikamenten auf die komplexen biochemo-mechanischen Prozesse in den Arterienwänden mit Hilfe von Hochleistungsrechnern. Die übergeordneten Ziele sind wie folgt zusammengefasst:I. Konstruktion geeigneter Modelle für die komplexen pharmako-mechanischen Prozesse, die mit medikamenteninduzierten Modifikationen der Aktivierung der glatten Muskulatur und dem Remodeling der Gewebezusammensetzung verbunden sind.II. Die Entwicklung von robusten numerischen Kopplungsschemata und Löserstrategien, um einen Rahmen für die prädiktive Simulation von resultierenden Fluid-Struktur-Chemie-Interaktionsproblemen zu schaffen.III. Analyse der entwickelten Methoden durch Untersuchung geeigneter Benchmark-Probleme und Vergleich der Simulationsergebnisse mit Messdaten, die von unseren klinischen Kooperationspartnern gewonnen wurden.Gemeinsam bringen die PIs Expertisen ein, die sich an der Schnittstelle von mechanischer Modellierung und numerischen Methoden überschneiden, wie es die Herausforderungen dieses Projekts erfordern. Im Sinne des Schwerpunktprogramms SPP 2311 schlägt dieses Projekt durch die Einbeziehung der Expertise der klinischen Kooperationspartner eine Brücke zwischen den Disziplinen Mechanik, Mathematik und Medizin. Die resultierenden Berechnungs- und Modellierungsstrategien dieses Projekts werden direkt auf verschiedene andere medizinische Probleme anwendbar sein, die mit einer pharmako-mechanischen Interaktion zusammenhängen.

• 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
• Internationaler Bezug: Niederlande
• Kooperationspartner: Professor Dr. Alexander Heinlein