Definition of axonal injury tolerances across scales

A computational multiscale approach

Tid: Fr 2020-02-14 kl 10.00

Plats: T2, Hälsovägen 11C, Huddinge (English)

Respondent: Annaclaudia Montanino , Neuronik

Opponent: Associate Professor Kacy Cullen, University of Pennsylvania

Handledare: Professor Svein Kleiven, Neuronik, Flygteknik, Farkost- och flygteknik, Bioteknologi; Alessandra Villa, ; Xiaogai Li, Neuronik

Abstract

Traumatisk hjärnskada (TBI) ses idag som ett globalt hälsoproblem. Djupare förståelse och kartläggning för hur yttre mekaniska laster påverkar hjärnvävnad och dess celler är nödvändig för att kunna vidareutveckla och förbättra skyddsutrustning och medicinsk behandling efter inträffad skada. Under de senaste decennierna har signifikanta framsteg gjorts gällande den biomekaniska grunden för TBI. Finita elementmodeller av huvud och hjärna har visat sig vara värdefulla verktyg för att öka förståelsen mellan huvudets kinematik och deformationsmönstret i hjärnan. Dessa framsteg till trots saknas dock fortfarande en omfattande patofysiologisk förståelse för hur olika längdskalor samverkar i TBI.

Huvudsyftet med denna avhandling var att öka förståelsen för hur axonskada sker på olika längdskalor. Detta innebär främst att hitta en möjlig skademekanism, samt definiera toleranser för axonskada vid olika längdskalor. För att kunna studera detta i en isolerad simuleringsmiljö, utvecklades i den första studien en kompositmodell av en axon i en finita elementuppställning. Sårbarheten hos de enskilda komponenterna i axonmodellen har i Studie I utvärderats vid laster som är representativa för ett typiskt skadescenario. Ett av huvudresultaten ur första studien var det icke-homogena och stora deformationsfältet som uppstod i axonmembranet. Detta motiverade Studie II där axonmodellen användes i serie med en dynamisk molekylmodell av axonmembranet, då det är på molekylers längdskala som mekanoporering i axonmembranet kan observeras. Med denna metod kan skadetoleranser för mekanoporering defineras i relation till töjning och töjningshastighet.

Studie III fokuserade på potentiella mekaniska skillnader hos skadetröskelnivåer från encell och vävnadsmodeller. Den finita elementmodellen av en axon expanderades till en vävnadsmodell genom att repetera axonmodellen runt sig själv genom introduktionen av periodiska randvillkor. Tröskelvärden från molekylmodellen i Studie 2 användes för att nå slutsatsen att skadetoleransen är högre för vävnadsmodellen än för enskilda axonmodellen. I Studie IV karaktäriserades den mekaniska responsen hos gliavävnad (utvärderat i en bläkfiskmodell) vid både stora deformationer och dynamiska hastigheter.

Slutligen utvecklades i Studie V ett ramverk över olika längdskalor för att analysera huvudskador i sin helhet. Kinematik från ett verkligt scenario användes som indata till en patientspecifik finita elementmodell av huvudet. Dessa töjningar på vävnadsnivå användes i en histologisk vävnadsmodell av corpus callosums subregioner. Resulterande axonmembranstöjningar jämfördes mot tröskelvärdena för mekanoporering för att till slut kunna ge en förbättrad uppskattning av eventuell skada.

Således ger denna avhandling en djupare förståelse för hur de mekaniska förloppen som leder till axonskada sker på olika längdskalor. Genom att främst använda numeriska metoder fås en ny icke-invasiv metod för att bedöma och förutse axonskada. Ytterligare experimentall validering är nödvändig, men genom studierna som genomförst i denn avhandling, läggs en grund för att genomföra mer komplexa simuleringar och potentiellt hitta fler mekanismer som leder till axonskada.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-266765