Projektdaten

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SPP 2311: Robuste Kopplung kontinuumsbiomechanischer in silico Modelle für aktive biologische Systeme als Vorstufe klinischer Applikationen - Co-Design von Modellierung, Numerik und Nutzbarkeit: Simulationsgestützte Bewertung von Spenderorganen vor Lebertransplantation (SimLivA) - kontinuums-biomechanische Modellierung für die Beurteilung von Ischämie-Reperfusionsschäden

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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 beiden kritischen Faktoren sind das Ausmaß der Verfettung und die Dauer der kalten Ischämie. Beide wirken sich auf den Schweregrad des Ischämie-Reperfusionsschaden (ischemia-reperfusion injury (IRI) aus.Ziel: In unserem gemeinsam im Co-Design konzipierten, interdisziplinären Projekt "Simulationsgestützte Bewertung von Spenderorganen vor Lebertransplantation (SimLivA)" wird der Einfluss mechanischer Veränderungen des marginalen (verfetteten) Spenderorgans und der kalten Ischämie auf den frühen IRI mathematisch modelliert. Forschungsfragen sind: (i) Wie können mit Hilfe von Computermodellen und Tierexperimenten die klinischen Pfade und technischen Abläufe aufeinander abgestimmt werden? (ii) Wie muss das mehrskalige kontinuums-biomechanische Modell zur Vorhersage des IRI angepasst werden? (iii) Welche experimentellen und klinischen Daten sind erforderlich, um den Zusammenhang zwischen Steatose, Ischämie und IRI zu quantifizieren? (iv) Sind die Modelle in der klinischen Routine anwendbar?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 den IRI in Abhängigkeit vom Grad der Steatose und der Ischämie-Dauer numerisch simulieren und den Proof-of-Concept, die Vorhersage des IRI, unter realen klinischen Bedingungen erbringen. Das Modell soll das Ausmaß der Leberschädigung und der frühen Transplantatfunktion vorhersagen und so eine bessere Entscheidung pro oder contra marginales Spenderorgan ermöglichen. Dies ist der erste Schritt in Richtung einer simulationsgestützten klinischen Entscheidungshilfe.