Co-Design von Modellierung, Tierversuchen und klinischer Bewertung. Ziel ist die Vorhersage der Auswirkungen von steatosebedingten mechanischen Veränderungen und kalter Ischämie auf die frühe Ischämie-Reperfusionsschädigung im marginalen Lebertransplantat. Tier- und Humandaten werden zur Parametrisierung des kontinuumsmechanischen PDE-ODE-Modells des Leberläppchens verwendet. An die jeweiligen Datensätze angepasste Modelle sagen Ischämie-Reperfusionsschäden voraus, die anhand von Tier- und Humandaten validiert werden.

Hintergrund:

Die Lebertransplantation 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.

Flussdiagramm der wichtigsten Schritte der Lebertransplantation: i) Organbeschaffung. Der Zustand des Spenders (z. B. Fettleibigkeit) beeinflusst die Transplantatqualität (z. B. Lebersteatose). ii) Organtransport. Das Transplantat wird für den Transport in einer kalten Konservierungslösung gelagert (kalte Ischämiezeit), was zu Energieverlust und ischämischen Schäden unbekannten Ausmaßes führt. iii) Organtransplantation. Das Wiederverbinden von Transplantat und Empfängerblutgefäßen leitet die Reperfusion und Reoxygenierung des transplantierten Transplantats, was zu einer Ischämie-Reperfusionsschädigung (IRI) führt. iv) Ergebnis. Innerhalb von 48 Stunden nach der Transplantation kann der Schweregrad der IRI (Schädigung und Funktiondes Transplantats) beurteilt werden (verzögerte Transplantatfunktion/primäre Nichtfunktion), was auf das Überleben des Transplantats und des Patienten schließen lässt. Die drei zeitkritischenEntscheidungspunkte für die Annahme oder Ablehnung eines Lebertransplantats sind (1) vor der Beschaffung, (2) nach der Beschaffung und (3) unmittelbar vor der Transplantation.

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.

Aufteilung der Aufgabenpakete in “SimLivA” auf Klinik, Tierversuche, sowie ODE- und PDE-Modellierung.

Involvierte Institutionen:

  • Klinik für Allgemein-, Viszeral- und Gefäßchirurgie; Universitätsklinikum Jena
  • Institut für Statik und Dynamik der Luft- und Raumfahrtkonstruktionen (ISD); Universität Stuttgart
  • Institut für Theoretische Biologie; Humboldt-Universität zu Berlin

Antragsteller:

Prof. Dr. med. Uta Dahmen, Klinik für Allgemein-, Viszeral- und Gefäßchirurgie, Universitätsklinikum Jena

Prof. Dr.-Ing. Tim Ricken, Institut für Statik und Dynamik der Luft- und Raumfahrtkonstruktionen (ISD), Universität Stuttgart

PD Dr. med. Hans-Michael Tautenhahn, Klinik und Poliklinik für Viszeral-, Transplantations-, Thorax- und Gefäßchirurgie, Universitätsklinikum Leipzig

Dr. Matthias König, Institut für Theoretische Biologie, Humboldt-Universität zu Berlin

Projektmitarbeitende:

Luis Mandl, Institut für Statik und Dynamik der Luft- und Raumfahrtkonstruktionen (ISD), Universität Stuttgart

Xinpei Chen, Experimentelle Chirurgie, Klinik für Allgemein-, Viszeral- und Gefäßchirurgie, Universitätsklinikum Jena

Publikationen:

2024

Gerhäusser, Steffen; Lambers, Lena; Mandl, Luis; Franquinet, Julian; Ricken, Tim; König, Matthias

Simulation of zonation-function relationships in the liver using coupled multiscale models: Application to drug-induced liver injury Journal Article

In: [PrePrint], bioRxiv, 2024.

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Lambers, Lena; Waschinsky, Navina; Schleicher, Jana; König, Matthias; Tautenhahn, Hans-Michael; Albadry, Mohamed; Dahmen, Uta; Ricken, Tim

Quantifying Fat Zonation in Liver Lobules: An Integrated Multiscale In-silico Model Combining Disturbed Microperfusion and Fat Metabolism via a Continuum-Biomechanical Bi-scale, Tri-phasic Approach Journal Article

In: Biomechanics and Modeling in Mechanobiology, 2024.

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König, Matthias

Python utilities for porous media analysis and visualization Online

Zenodo, (Ed.): 2024.

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Tautenhahn, Hans-Michael; Ricken, Tim; Dahmen, Uta; Mandl, Luis; Bütow, Laura; Gerhäusser, Steffen; Lambers, Lena; Chen, Xinpei; Lehmann, Elina; Dirsch, Olaf; König, Matthias

SimLivA–Modeling ischemia-reperfusion injury in the liver: A first step towards a clinical decision support tool Journal Article

In: GAMM-Mitteilungen e202370003, 2024.

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2023

Albadry, Mohamed; Kuettner, Jonas; Grzegorzewski, Jan; Dirsch, Olaf; Kindler, Eva; Klopfleisch, Robert; Liska, Vaclav; Moulisova, Vladimira; Nickel, Sandra; Palek, Richard; Rosendorf, Jachym; Saalfeld, Sylvia; Settmacher, Utz; Tautenhahn, Hans-Michael; König, Matthias; Dahmen, Uta

Cross-Species Variability in Lobular Geometry and Cytochrome P450 Hepatic Zonation: Insights into CYP1A2, CYP2E1, CYP2D6 and CYP3A4 Journal Article

In: [PrePrint], bioRxiv, 2023.

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Azhdari, Mohammad; Seyedpour, Seyed Morteza; Lambers, Lena; Tautenhahn, Hans-Michael; Tautenhahn, Franziska; Ricken, Tim; Rezazadeh, Ghader

Non-local three phase lag bio thermal modeling of skin tissue and experimental evaluation Journal Article

In: Heat and Mass Transfer (149), 2023.

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Mandl, Luis; Mielke, André; Seyedpour, Seyed Morteza; Ricken, Tim

Affine transformations accelerate the training of physics-informed neural networks of a one-dimensional consolidation problem Journal Article

In: Nature Scientific Reports, 2023.

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Maheshvare, M. Deepa; Raha, Soumyendu; König, Matthias; Pal, Debnath

A pathway model of glucose-stimulated insulin secretion in the pancreatic β-cell Journal Article

In: Frontiers in Endocrinology, 2023.

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König, Matthias

Hepatocyte model of ischemia reperfusion injury (IRI) Online

Zenodo, (Ed.): 2023, visited: 30.06.2023.

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König, Matthias; Gleeson, Padraig; Golebiewski, Martin; Gorochowski, Thomas E.; Hucka, Michael; Keating, Sarah M.; Myers, Chris J.; Nickerson, David P.; Sommer, Björn; Waltemath, Dagmar; Schreiber, Falk

Specifications of standards in systems and synthetic biology: status and developments in 2022 and the COMBINE meeting 2022 Journal Article

In: Journal of Integrative Bioinformatics, 2023.

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Rauchfuß, Falk; Tautenhahn, Hans-Michael; Dondorf, Felix; Ali-Deeb, Aladdin; Settmacher, Utz

Critical Evaluation of Discarded Donor Livers in the Eurotransplant Region: Potential Implications for Machine Perfusion Journal Article

In: Annals of Transplantation, 2023.

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Tautenhahn, Hans-Michael; Kindler, Eva Marie; Volmer, Katharina; Zipprich, Alexander; Settmacher, Utz

Lebertransplantation bei alten Patient:innen Book Chapter

In: vol. Die Chirurgie, pp. 28-35, Springer Berlin, Heidelberg, 94, 2023.

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2022

Albadry, Mohamed; Höpfl, Sebastian; Ehteshamzad, Nadia; König, Matthias; Böttcher, Michael; Neumann, Jasna; Lupp, Amelie; Dirsch, Olaf; Radde, Nicole; Christ, Bruno; Christ, Madlen; Schwen, Lars Ole; Laue, Hendrik; Klopfleisch, Robert; Dahmen, Uta

Periportal steatosis in mice affects distinct parameters of pericentral drug metabolism Journal Article

In: Nature Scientific Reports, 2022.

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Welsh, Ciaran; Xu, Jin; Smith, Lucian; König, Matthias; Choi, Kiri; Sauro, Herbert M

libRoadRunner 2.0: a high performance SBML simulation and analysis library Journal Article

In: Bioinformatics, vol. 39, iss. 1, 2022.

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Grzegorzewski, Jan; Brandhorst, Janosch; König, Matthias

Physiologically based pharmacokinetic (PBPK) modeling of the role of CYP2D6 polymorphism for metabolic phenotyping with dextromethorphan Journal Article

In: Frontiers in Pharmacology, 2022.

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Bertrand, Fleurianne; Brodbeck, Maximilian; Ricken, Tim

On robust discretization methods for poroelastic problems: Numerical examples and counter-examples Journal Article

In: Examples and Counterexamples (2), 2022.

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Ricken, Tim; Schröder, Jörg; Bluhm, Joachim; Bartel, Florian

Theoretical formulation and computational aspects of a two-scale homogenization scheme combining the TPM and FE² method for poro-elastic fuid-saturated porous media Journal Article

In: International Journal of Solids and Structures, 2022, 2022.

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2021

Maximilian Collatz Bruno Christ, Uta Dahmen; König, Matthias; Lambers, Lena; Marz, Manja; Meyer, Daria; Radde, Nicole; Reichenbach, Jürgen R.; Ricken, Tim; Tautenhahn, Hans-Michael

Hepatectomy-induced alterations in hepatic perfusion and function – Towards multi-scale modeling for a better risk assessment in liver surgery Journal Article

In: Frontiers in Physiology (12), 2021.

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Seyedpour, Seyed M.; Nabati, Mehdi; Lambers, Lena; Nafisi, Sara; Tautenhahn, Hans-Michael; Sack, Ingolf; Reichenbach, Jürgen R.; Ricken, Tim

Application of Magnetic Resonance Imaging in Liver Biomechanics: A Systematic Review Journal Article

In: Frontiers in Physiology (12), 2021.

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