17.105 – Het in kaart brengen van de contractie- en hypertrofische processen van brandwondenlittekens middels computer simulaties

Start in 2019 (Februari)

Fred Vermolen –Technische Universiteit Delft

Achtergrond

Wondgenezing is een complex proces waarin veel van de onderliggende mechanismes slecht kwalitatief bekend zijn. Contractie is een ongewenst bij-proces tijdens het genezen van brandwonden. De drijvende kracht achter deze contractie is het binnenkomen van fibroblasten in het beschadigde weefsel van de lederhuid en de differentiatie naar myofibroblasten, hetgeen contractie oplevert vanwege de trekkrachten die deze cellen uitoefenen op hun omgeving. Omdat de productie van collageen overdadig kan zijn, ontstaat er een litteken op het huidoppervlak. Dit litteken verdwijnt normaal niet geheel gedurende het zeer langzame hermodelleringsproces. Verder zijn we nu in staat om huid als een morpho-elastisch materiaal te modelleren. Dit laat toe dat we blijvende, of tenminste langdurende, deformaties en blijvende contracturen kunnen simuleren. In het wondgebied heeft het nieuw gevormde collageen een anisotrope oriëntatie in tegenstelling tot het collageen in het onbeschadigde weefsel rondom de wond. De extracellulaire architectuur beïnvloedt de verspreidingen differentiatie van cellen. Daardoor is de collageen oriëntatie, alsmede de vorming ervan over de tijd, zeer belangrijk voor het vormen van littekenweefsel en contractuur. Dus om richtlijnen te geven voor het verbeteren van behandelingsmethoden van brandwonden, is het belangrijk om de invloed van de (myo)fibroblasten op de genezing en op de generatie van littekenweefsel te kwantificeren. Dit onderbouwt de noodzaak van goede wiskundige modellen die de relevante biologische mechanismes meenemen. Omdat veel invoerparameters niet nauwkeurig of zelfs volledig onbekend zijn vanwege gebrek aan informatie in de literatuur of omdat ze patiënt-specifieke waarden aannemen, is het van belang om onzekerheidsanalyse uit te voeren om de waarschijnlijkheid te bepalen dat een bepaalde wond (wat betreft vorm, grootte, huideigenschappen) complicaties ontwikkelt in termen van contractuur of littekenweefsel.

Doelstelling(en)

We doelen op het verkrijgen van goede wiskundige modellen voor de contractie en genezing van brandwonden. Hiermee zal men in staat zijn om kwalitatief en kwantitatief te bepalen welke processen verantwoordelijk zijn voor contractie en bovendien in hoeverre deze processen resulteren in de ontwikkeling van littekens. Verder zullen we beginselen uit de waarschijnlijkheidsleer en stochastische eindige elementen in onze modellen meenemen zodat het mogelijk is om kansen te voorspellen op het genezen van brandwonden binnen een bepaald tijdsbestek en de kans dat er een litteken en/of contractuur ontstaat. Het doel is om de invloed van therapieën zoals huidtransplantaties om wonden eerder te laten genezen en spalken om litteken contractie tegen te gaan in getal te brengen.

Onderzoeksvra(a)g(en)

In welke graad zijn biologische processen als initiële wondverwijding, apoptose-snelheid van myo-fibroblasten verantwoordelijk voor het ontstaan van contractuur en littekenweefsel? Hoe ontwikkelen contractuur en littekenweefsel zich voor verschillende typen wonden, zoals diepe tegenover ondiepe wonden? Hoe kunnen we verscheidene gangbare therapieën voor behandeling van brandwonden optimaliseren? In hoeverre hebben patiënt-specifieke verschillen in huideigenschappen invloed op het ontstaan en voorkomen van littekenweefsel en contractuur?

Methoden

We zullen voornamelijk continuum modellen, gebaseerd op partiële differentiaalvergelijkingen gebruiken. De mechanica wordt beschouwd middels morpho-hyper-elasticiteit met anisotropie. Om de onzekerheid te behandelen, zullen we stochastische eindige elementen methoden, gebaseerd op Monte Carlo technieken alsmede gerandomiseerde basisfuncties, gebruiken voor de gevoeligheidsanalyse en de waarschijnlijkheidsschatting. Verder, zullen er regressietechnieken gebruikt worden, om de contractieparameters te schatten zodat de klinisch waargenomen huidpatronen gereproduceerd worden. Dit is gebaseerd op experimentele data van andere studies. We zullen hierin studies uit de literatuur raadplegen maar ook communiceren met de projecten van Magda Ulrich en Bouke Boekema. Verder zullen we de beelden en metingen aan collageen van de groep van prof Gijsje Koenderink meenemen in de wiskundige modellen. De rekenmethoden zullen in hoog-niveau programmeertalen als C++ en Python geïmplementeerd worden vanwege efficiëntie.

Verwachte resultaten

We zullen software leveren om kansen te schatten dat gegeven brandwonden (met betrekking tot de graad en geometrie) complicaties (contractuur of littekenweefsel) zullen opleveren. We verwachten dat we bijvoorbeeld de kans en ernst van het optreden van contractuur en littekenweefsel als functie van de wonddiepte (graad) bepaald kan worden. Verder zullen we de invloed van therapie als dressings, spalken, huidtransplantatie in getal brengen. Deze resultaten geven richtlijnen om de behandeling van brandwonden te verbeteren en zelfs te optimaliseren.

print