Modeling biodegradable stents and their effect on the arterial wall

par Johanne Mensah-Gourmel

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Abdul I. Barakat et de Antoine Lafont.

Soutenue le 29-09-2016

à l'Université Paris-Saclay (ComUE) , dans le cadre de École doctorale INTERFACES : approches interdisciplinaires, fondements, applications et innovation (Palaiseau, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec LADHYX - Laboratoire d'hydrodynamique (laboratoire) , École polytechnique (Palaiseau, Essonne) (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire d'hydrodynamique / LadHyX (laboratoire) .

Le président du jury était Bertrand David.

Le jury était composé de Abdul I. Barakat, Antoine Lafont, Machiel Van der Leest.

Les rapporteurs étaient Guiseppe Pontrelli, Gérard Finet.

  • Titre traduit

    Modélisation des stents biodégradables et de leur impact sur la paroi artérielle


  • Résumé

    Les stents sont aujourd’hui le traitement le plus courant des stades avancés de l’athérosclérose. Le concept de stents bioresorbables (BRS) est basé sur l’idée qu’un stent n’est nécessaire que jusqu’à la guérison de l’artère – suite à quoi il serait préférable que le stent disparaisse, afin de retrouver un état plus physiologique. Le déploiement d’un stent altère significativement les contraintes mécaniques exercées sur la paroi artérielle, or celles-ci jouent un rôle important dans l’incidence de complications telle que la resténose et l’hyperplasie néointimale. Dans le cas d’un BRS, les contraintes mécaniques dans le stent comme dans la paroi artérielle évoluent au fur et à mesure que le stent se dégrade. De plus, la dégradation du stent par hydrolyse peut être accélérée par ces contraintes : un couplage supplémentaire qui doit être pris en compte. Nous nous intéressons à la détermination de l’évolution des contraintes dans le stent et dans l’artère pendant le déploiement puis la dégradation du stent, ainsi qu’à l’influence de ces contraintes sur la dégradation du stent et sur le remodelage de la paroi, qui est également influencé par la dénudation de l’endothélium et par l’inflammation induite par l’implantation d’un BRS. Pour atteindre ces objectifs, nous avons développé un modèle 3D par éléments finis du déploiement et de la dégradation d’un BRS en acide polylactique tenant compte du couplage entre l’artère et le stent. Il permet notamment de prédire les zones de démantèlement dustent et l’évolution de l’épaisseur de la paroi artérielle en réponse à l’implantation d’un BRS. Etant donné que le modèle repose fortement sur des paramètres qui doivent être déterminés expérimentalement, nous nous sommes intéressés au développement d’une méthode expérimentale pour suivre la dégradation d’un BRS. Nous avons utilisé la tomographie par cohérence optique (OCT) pour suivre régulièrement la dégradation de stents déployés dans des tubes et immergés dans du sérum physiologique à 37°C pendant deux ans. Nous avons ensuite développé une méthode qui détecte automatiquement les struts des stents sur les images OCT et quantifie leur intensité de niveau de gris. Les résultats suggèrent que cette méthode automatisée d’analyse d’images OCT est un outil prometteur pour évaluer quantitativement l’état de dégradation d’un BRS. Enfin, nous nous sommes intéressés à la capacité d’une artère stentée à s’adapter à une modification du cisaillement ressenti. Nous avons étudié l’évolution de la lumière artérielle de porc stentés suivis in vivo par OCT ainsi que le cisaillement associé. Alors qu’un stent métallique bloque le remodelage artériel, nous avons observé qu’un BRS – probablement grâce au démantèlement du stade final de la dégradation – libère le vaisseau et permet ainsi l’adaptation de son diamètre de manière à diminuer le cisaillement et l’inadéquation avec l’artère non stentée. L’adaptation de la lumière artérielle permise par le démantèlement du stent pourrait être prise en compte dans de futurs modèles numériques.


  • Résumé

    Today, sent deployment is the most common treatment for symptomatic atherosclerosis. Bioresorbable stents (BRS) are based on the premise that a stent is needed only until arterial wound healing occurs after which it would be desirable for the stent to degrade so that the arterial wall recovers its natural compliance. Deployment of a stent profoundly alters the mechanical environment in the arterial wall, and these alterations play an important role in regulating the incidence of complications such as restenosis and neointimal hyperplasia. In the case of a BRS, the mechanical stresses in both the stent and the arterial wall evolve as the stent degrades. Furthermore, the hydrolysis-driven degradation of the stent can be accelerated by mechanical stresses in the stent, an additional coupling that needs to be taken into account. We are interested in determining the evolution of stresses in both the stent and the arterial wall during the stent deployment and degradation process and in elucidating the effect of these stresses on the stent degradation and on the remodeling process in the wall, which would also be influenced by the loss of endothelial cells and the amount of inflammation induced by the stent deployment and degradation. To this end, we have developed a 3D finite element model of the deployment and degradation of a polylactic acid (PLA) BRS that integrates the coupling between the stent and the artery.This allows one to predict the zones of dismantling of the stent and the evolution of the arterial thickness in response to a BRS stenting procedure. Since the model relies strongly on parameters that need to be determined experimentally, we became interested in developing methods to follow stent degradation. With this aim, we used optical coherence tomography (OCT) to image several BRS that were deployed into tubes and allowed to degrade in a saline solution at 37°C over a period of two years. We subsequently developed a versatile method for automatically detecting stent struts on the OCT images and quantifying the strut gray scale intensity. The results suggest that this automated method of OCT image analysis represents a promising tool to quantitatively assessing BRS degradation states. Lastly, we were interested in establishing the ability of a stented artery to adapt to a modification in its wall shear stress. Studying the in vivo evolution of the lumen of stented mini-swine arteries followed by OCT imaging allowed us to demonstrate that whereas a bare metal stent cages the artery, a BRS, presumably due to its degradation-induced dismantling, frees the vessel and enables it to adapt its lumen diameter in order to decrease its absolute level of shear stress and the compliance mismatch with the unstented portion of the artery. This lumen adaptation allowed by the stent dismantling could be taken into account in future computational models.


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