2023-06-252023-06-25https://tore.tuhh.de/handle/11420/15719Die Harnblase ist ein zentrales Organ der Wirbeltiere. Ihre Mechanik ist von besonderer Bedeutung aufgrund der extremen Verformungen, die sie durchläuft, um bedeutende Flüssigkeitsmengen zwischenzuspeichern. Eine besondere Rolle spielen Wachstums- und Umbauprozesse in der Harnblase in Folge mechanischer Stimuli wie sie etwa bei Gesundheitsproblemen wie einer partiellen Obstruktion der Harnröhre - von der etwa 50% bis 75% der männlichen Bevölkerung über 50 Jahre betroffen sind - auftreten. Die biomechanischen Grundlagen dieser Wachstums- und Umbauprozesse sind bislang weitgehend ungeklärt. Das vorliegende Forschungsvorhaben zielt darauf ab, Wachstums- und Umbauprozesse in der Blase und ihren Zusammenhang zu gegebenen mechanischen Reizen erstmals durch biomechanische Experimente zu quantifizieren und durch ein auf diesen Experimenten aufbauendes mathematisches Modell allgemein zu beschreiben. Dazu werden postpubertären Schweinen unterschiedlicher Altersstufen nach der Schlachtung die Harnblasen entnommen. Diese werden sowohl biomechanisch als auch immunhistologisch untersucht, um daraus einen typischen Verlauf von Wachstums- und Umbauprozessen über die Zeit in Abhängigkeit von den in den Blasen auftretenden mechanischen Reizen zu rekonstruieren. Gleichzeitig wird ein mathematisches bzw. numerisches Constrained-Mixture-Modell entwickelt, mit dem die Wachstums- und Umbauprozesse in der Blase allgemein beschrieben werden können. Die Parameter und funktionalen Zusammenhänge in diesem Modell werden aus den experimentellen Daten mit Hilfe eines sequentiellen Monte-Carlo-Verfahrens bestimmt. Damit hormonelle Faktoren nicht als Störfaktoren die Modellbildung beeinträchtigen, werden den Schweinen beim Schlachten Blut- und Leberproben entnommen und die darin gemessenen Hormonkonzentrationen werden geeignet im mathematischen Modell berücksichtigt. Abschließend wird das so gewonnene weltweit erste mathematische Modell für Blasenwachstum dazu eingesetzt, die Wachstums- und Umbauprozesse in Folge einer partiellen Obstruktion der Harnröhre in Grundzügen biomechanisch zu modellieren, um damit die Basis zu schaffen, die in diesem Projekt gewonnenen Erkenntnisse in zukünftigen weiterführenden Arbeiten klinisch zu verwerten.Wenngleich das Projekt im Schwerpunkt auf die Bestimmung des Zusammenhangs zwischen mechanischen Reizen und Wachstum bzw. Umbau des Gewebes in der Blase abzielt, wird es zusätzlich auch erstmals ein grundlegendes quantitatives und in ein mathematisches Modell eingebettetes Verständnis schaffen, wie hormonelle und mechanische Faktoren bei der Steuerung dieser Prozesse superponieren. Eine Besonderheit des in diesem Projekt entwickelten Modells wird insbesondere seine starke Basis experimenteller Daten sein, während die bei weitem meisten anderen Wachstumsmodelle für Weichgewebe aller Art derzeit nur unzureichend durch experimentelle Daten gestützt sind.The urinary bladder is a central organ of vertebrates. Its primary function, the storage of significant volumes of urine, implies very large deformations, which leads to an important role of mechanics in the urinary bladder. In particular growth and remodeling processes controlled by mechanical stimuli play an important role both in health and disease. For example, partial outlet obstruction of the bladder - from which 50% to 75% of the male population older than 50 years suffer - frequently results in pathological growth and remodeling with consequences such as ischuria. However, the biomechanical foundations of mechano-regulated growth and remodeling in the bladder remain poorly understood to date. This project aims to understand and quantify mechano-regulated growth and remodelling processes in the urinary bladder. To this end, a series of biomechanical and immunohistochemical experiments with urinary bladders of post-pubescent pigs of different ages will be conducted. The results of these experiments will serve as a basis for the development of the world-wide first mathematical/computational model of mechano-regulated growth and remodeling in the urinary bladder. To exclude confounding effects of hormones, their concentrations will be measured and incorporated appropriately in the model. The mathematical model will be based on the theory of constrained mixtures. Its parameters and functional relations will be determined from the experimental data using a sequential Monte-Carlo method. Finally, the model will be used to study for the first time with a very simple computational model mechano-regulated growth and remodeling in case of a partial outlet obstruction of the urinary bladder. This way, the applicability of the results of this project to clinically relevant questions will be demonstrated. Although this project mainly focuses on the relation between mechanical stimuli and growth and remodeling, it will, as a byproduct, also reveal for the first time how hormonal and mechanical factors superimpose in controlling growth and remodeling in the urinary bladder. A particular strength of the model developed in this project will be its strong and quantitative data basis, noting that most mathematical/computational models of mechano-regulated growth and remodeling in soft tissue so far still suffer from an insufficient experimental basis.