Multiscale cardiovascular analysis and simulations for the understanding of intra-uterine cardiovascular remodelling

Abstract

Cardiovascular diseases are nowadays one of the major causes of death in developed countries. Besides the already known risk factors such as lifestyle and genetics, there is a growing evidence that adverse remodelling during prenatal life presents a risk factor for some cardiovascular diseases at later life. Recent studies have demonstrated that fetuses with intra-uterine growth restriction show cardiovascular remodelling at organ, vascular and also cellular and subcellular level, and moreover these changes persist postnatally. However this is a complex mechanism that needs to be further investigated. Currently, Doppler ultrasonography is one of the techniques most used to assess the fetal cardiovascular status and to study the heart and vascular remodelling in clinical practice. However, some of underlying hemodynamic and vascular changes cannot be assessed clinically and more sophisticated techniques are needed. Computational modelling of biological systems arises as a powerful tool to overcome this challenge, to support clinicians and to improve the understanding of different pathologies. In this thesis we proposed the use of computational models of fetal circulation, of cardiac cells and also image-processing tools, to improve the understanding of intra-uterine cardiac remodelling that takes place at different scales of the fetal cardiovascular system, and also to estimate the patient-specific hemodynamic properties that cannot be directly assessed from clinical measurements. The results arising from this thesis demonstrate that computational models are able to improve the understanding and detection of the intra-uterine cardiovascular remodelling by means of patient-specific simulations.

Les malalties cardiovasculars són avui en dia una de les principals causes de mortalitat en països desenvolupats. Deixant de banda els factors de risc relacionats amb l'estil de vida i la genètica, existeix una creixent evidència de què la remodelació adversa durant la vida prenatal esdevé un factor de risc per a algunes malalties cardiovasculars en l'edat adulta. S'ha demostrat que els fetus amb restricció de creixement intrauterina mostren signes de remodelació cardiovascular tant a nivell d'òrgan, vascular com a nivell cel•lular i subcel•lular, i molts cops aquests canvis persisteixen postnatalment. No obstant, és tracta d'un mecanisme complex que necessita ser investigat en profunditat. Actualment, l'ecografia Doppler és una de les tècniques més empradres per avaluar l'estat cardiovascular fetal i per estudiar la remodelació tant cardiaca com vascular durant la pràctica clínica. No obstant, alguns dels canvis hemodinàmics i vasculars subjacents no es poden avaluar clínicament, requerint de tècniques més sofisticades. El modelatge computacional de sistemes biològics es presenta com un potent instrument per superar aquest repte, per donar suport als metges i millorar la comprensió de les diferents patologies. En aquesta tesi es presenta per una banda l'ús de models computacionals tant de la circulació fetal com també de la cèl•lula cardíaca i la utilització d'eines de processat d'imatge amb la finalitat de millorar la comprensió de la remodelació cardiovascular intrauterina que té lloc a diferents escales del sistema cardiovascular fetal, i estimar les propietats hemodinàmiques específiques de cada pacient, les quals no es poden extreure directament a partir de mesures clíniques. Els resultats derivats d'aquesta tesi demostren que els models computacionals són capaços de millorar la comprensió i la detecció de la remodelació cardiovascular intrauterina mitjançant simulacions específiques del pacient.