HemoSim - Strömungsinduzierte Hämolyse in blutführenden Medizinprodukten – ein datenbasierter mechanistischer Ansatz

  Ablauf der Extraktion und Modellierung von Scherspannungsverläufen Urheberrecht: © CVE Ablauf der Extraktion und Modellierung von Scherspannungsverläufen

Hintergrund:

Blutführende Medizinprodukte liefern lebensrettende Lösungen für Patienten mit schweren Herz-Kreislauf- und Atemwegserkrankungen, die mit insgesamt 21,7 Millionen Todesfällen im Jahr 2017 weltweit die erste und dritthäufigste Todesursache darstellen. Trotz enormer Therapieverbesserungen und einem Anstieg der allgemeinen Lebensqualität der Patienten in den letzten Jahrzehnten ist geräteinduzierte Bluttraumatisierung nach wie vor eine Hauptursache für Komplikationen. Die Schädigung der Erythrozytenmembran und die anschließende Freisetzung von Hämoglobin wird als Hämolyse bezeichnet und ist eine der ausschlaggebenden Komplikationen, die mit einer erhöhten Mortalität einhergeht. Die Hämolyse führt zu einer verminderten Sauerstoffversorgung der Organe und spielt eine zentrale Rolle bei anderen Phänomenen wie Thrombozytenaktivierung und Thrombusbildung.

Methoden:

Ein besseres Verständnis der mechanisch induzierten Hämolyse mit Hilfe experimenteller und numerischer Methoden ist notwendig, um das Design aktueller blutführender medizinischer Geräte zu verbessern. In diesem Zusammenhang hat sich die numerische Strömungsmechanik (CFD) zu einem weit verbreiteten Werkzeug entwickelt, um die komplexen Phänomene der Strömungsmechanik und der geräteinduzierten Hämolyse zu erfassen. Den gegenwärtigen numerischen Modellierungsansätzen fehlt jedoch aufgrund von Mängeln in der experimentellen Datenbasis und Limitationen in reproduzierbaren Methoden ein quantitatives Vorhersagepotenzial.

Das übergreifende Ziel des Antrags ist daher die Verbesserung des Vorhersagepotenzials numerischer Hämolysemodelle. Zunächst wird die Blutschädigung bei verschiedenen Schergeschwindigkeiten und Belastungszeiten vermessen und die Daten werden verschiedenen Datenanalyse- und Qualitätskontrolltechniken unterzogen, um einen wiederverwendbaren Datensatz zu gewährleisten. Im nächsten Schritt wird ein Benchmarking-Setup mit allen bestehenden Hämolyse-Modellen erstellt und der gemessene Datensatz wird implementiert. Schließlich werden neue experimentelle Methoden zur Modellierung der zeitvarianten Belastung roter Blutkörperchen in rotatorischen Blutpumpen entwickelt und die bestehenden numerischen Hämolysemodelle erweitert, um die auftretenden Blutschädigungsmechanismen besser beschreiben zu können.

Die Benchmarks und der Hämolysedatensatz werden über eine Online-Plattform zur Verfügung gestellt, um eine Wiederverwendung durch andere Forschungsgruppen zu ermöglichen.

Zu erwartende Ergebnisse:

Das vorgeschlagene Projekt legt einen Schwerpunkt auf Standardisierung, Reproduzierbarkeit und Datenintegration, um der intrinsischen Komplexität der Hämolyse und der Vielfalt der bestehenden numerischen Modelle gerecht zu werden. Es fokussiert sich auf ein zentrales Problem in blutführenden Medizinprodukten und bietet viele klinischen Anwendungen wie z.B. mechanische Herzunterstützungssysteme oder extrakorporale Lungenunterstützung (ECMO).