数学模型揭示了药物洗脱支架在动脉再闭合中的可能作用
对于有症状的冠状动脉疾病患者，最好的治疗方法通常是在斑块堆积阻塞血液流向心脏的动脉中植入药物洗脱支架。金属支架撑开动脉，同时释放一种药物，有助于抑制再狭窄——由于支架周围的多余组织生长而导致的动脉再闭合。然而，机体对支架周围组织炎症和动脉损伤的反应有时仍会导致再狭窄。
在一篇发表在应用数学杂志， suniica Čanić， Yifan Wang(加州大学伯克利分校)和Martina bukatic(圣母大学)开发了代表动脉中的药物洗脱支架的数学模型，并研究支架如何影响动脉组织的渗透性和血液流动．Wang说:“我相信我们的工作可以帮助临床工作者了解支架相关再狭窄的某些病理，并最终改善患者的预后。”
为了实现这一目标，作者使用了一些在以前的支架模型中不存在的新元素。“在我们的研究中，药物洗脱首次出现支架我们基于它们在移动动脉中的表现进行了计算评估，动脉壁的渗透性取决于动脉壁的变形。”Čanić说。多孔弹性材料是具有许多孔隙的固体，液体可以通过这些孔隙流动，如海绵或构成动脉壁的生物组织。液体渗透组织壁的程度取决于孔隙体积的变化。
Čanić说:“我们发现，支架的存在会影响支架位置动脉组织的变形，从而改变组织的渗透性。”“这反过来又会影响覆盖在支架上的抗炎药物如何穿透组织并防止炎症。”
研究人员与贝勒医学院的David Paniagua和德克萨斯州休斯顿的Michael E. DeBakey退伍军人事务医疗中心的合作伙伴受到启发，开始研究这一问题。Paniagua每天都要进行药物洗脱支架的手术，他建议作者研究支架的性能和涂层药物洗脱进入组织的方式。“我相信建模药物洗脱支架可以帮助我们更好地理解它们的行为，并通过为临床医生提供更多的信息来帮助临床决策过程，”bukadem说。
药物洗脱支架设计领域仍然存在的一个挑战是“边缘效应”，即在支架外边界附近再狭窄的发生率更高。在植入支架后，对一些患者来说，靠近其边缘的动脉内部继续缩小，这限制了血液流动。
Čanić， Wang和Bukač利用两套数学模型来研究到底是什么导致了边缘效应。第一种是流体-结构的相互作用模型，代表血液的流动动脉以及动脉壁组织对心脏跳动时血流周期性变化的反应。第二个模型是一个平流-反应-扩散方程系统，它表示支架涂层中的抗炎药物如何经历化学反应，扩散到动脉壁组织，并在支架动脉内部移动。
“这两套模型是耦合的，”Čanić说。“流体-结构相互作用模型‘告知’平流-反应-扩散模型关于携带药物的血液和血浆速度，并使药物洗脱到组织中。”作者在一个移动域上定义了这种耦合，以表示血流和支架动脉之间的相互作用。他们的模型可以代表金属支架平台的五种不同几何形状，以及两种不同的涂层药物。
研究人员首先研究了支架植入改变动脉壁组织渗透性的方式，这反过来又影响了药物洗脱进入组织的能力。模型显示，构成支架的支架之间的组织孔隙扩大，导致渗透性增加。但在靠近支架边缘的地方，渗透性很低，因为它的刚性阻止了邻近组织的自由扩张。这显然是个问题。“支架边缘的低渗透性可能会影响该区域的药物洗脱，”Čanić说。
Čanić， Wang和bukatic接下来研究了正常动脉和支架动脉的不同弹性是如何影响血流动力学的。他们发现，在支架的边缘形成了“再循环区”，血液在一个区域循环，而不是像正常情况下沿动脉流动。这种现象似乎是由支架区和非支架区边界处的弹性特性不匹配引起的。
再循环区与低渗透性的结合是一个危险的组合——两者都有助于边缘效应，导致支架周围的多余组织生长，最终可能导致再狭窄并再次阻塞动脉。研究人员目前正在设计一种可以避免这一问题的支架，通过研究在某些支架边缘附近添加涂层“支架移植物裙”是否有助于对抗边缘效应并降低再狭窄率。他们正在与Paniagua合作设计这条裙子，并计划对新设计进行实验室实验。
这项研究的工作可能会应用于帮助真正的患者。bukarcc说:“这种方法可以用于特定患者的情况，比如通过医学成像获得的动脉模型。”作者的数学建模方法也可能有更深远的临床应用。
“我相信我们提出的模型也可以被采用并应用于更广泛的领域，比如研究肿瘤细胞的生长组织王说。在未来，这项工作的结果甚至可能超越为冠状动脉疾病患者创造更有效的支架。
