Recent applications of computational fluid dynamics (CFD) applied to the cardiovascular system have demonstrated its power in investigating the impact of hemodynamics on disease initiation, progression, and treatment outcomes. Flow metrics such as pressure distributions, wall shear stresses (WSS), and blood velocity profiles can be quantified to provide insight into observed pathologies, assist with surgical planning, or even predict disease progression. While numerous studies have performed simulations on clinical human patient data, it often lacks prediagnosis information and can be subject to large intersubject variability, limiting the generalizability of findings. Thus, animal models are often used to identify and manipulate specific factors contributing to vascular disease because they provide a more controlled environment. In this review, we explore the use of CFD in animal models in recent studies to investigate the initiating mechanisms, progression, and intervention effects of various vascular diseases. The first section provides a brief overview of the CFD theory and tools that are commonly used to study blood flow. The following sections are separated by anatomical region, with the abdominal, thoracic, and cerebral areas specifically highlighted. We discuss the associated benefits and obstacles to performing CFD modeling in each location. Finally, we highlight animal CFD studies focusing on common surgical treatments, including arteriovenous fistulas (AVF) and pulmonary artery grafts. The studies included in this review demonstrate the value of combining CFD with animal imaging and should encourage further research to optimize and expand upon these techniques for the study of vascular disease.

Arterial aneurysms are pathological dilations of blood vessels which can be of clinical concern due to thrombosis, dissection, or rupture. Aneurysms can form throughout the arterial system, including intracranial, thoracic, abdominal, visceral, peripheral, or coronary arteries. Currently, aneurysm diameter and expansion rates are the most commonly used metrics to assess rupture risk. Surgical or endovascular interventions are clinical treatment options, but are invasive and associated with risk for the patient. For aneurysms in locations where thrombosis is the primary concern, diameter is also used to determine the level of therapeutic anticoagulation, a treatment that increases the possibility of internal bleeding. Since simple diameter is often insufficient to reliably determine rupture and thrombosis risk, computational hemodynamic simulations are being developed to help assess when an intervention is warranted. Created from subject-specific data, computational models have the potential to be used to predict growth, dissection, rupture, and thrombus-formation risk based on hemodynamic parameters, including wall shear stress, oscillatory shear index, residence time, and anomalous blood flow patterns. Generally, endothelial damage and flow stagnation within aneurysms can lead to coagulation, inflammation, and the release of proteases which alter extracellular matrix composition, increasing risk of rupture. In this review, we highlight recent work that investigates aneurysm geometry, model parameter assumptions, and other specific considerations that influence computational aneurysm simulations. By highlighting modeling validation and verification approaches, we hope to inspire future computational efforts aimed at improving our understanding of aneurysm pathology and treatment risk stratification.

The circle of Willis (CW) allows blood to be redistributed throughout the brain during local ischemia; however, it is unlikely that the anatomic persistence of the CW across mammalian species is driven by natural selection of individuals with resistance to cerebrovascular disease typically occurring in elderly humans. To determine the effects of communicating arteries (CoAs) in the CW on cerebral pulse wave propagation and blood flow velocity, we simulated young, active adult humans undergoing different states of cardiovascular stress (i.e., fear and aerobic exercise) using discrete transmission line segments with stress-adjusted cardiac output, peripheral resistance, and arterial compliance. Phase delays between vertebrobasilar and carotid pulses allowed bidirectional shunting through CoAs: both posteroanterior shunting before the peak of the pulse waveform and anteroposterior shunting after internal carotid pressure exceeded posterior cerebral pressure. Relative to an absent CW without intact CoAs, the complete CW blunted anterior pulse waveforms, although limited to 3% and 6% reductions in peak pressure and pulse pressure, respectively. Systolic rate of change in pressure (i.e., ∂P/∂t) was reduced 15%-24% in the anterior vasculature and increased 23%-41% in the posterior vasculature. Bidirectional shunting through posterior CoAs was amplified during cardiovascular stress and increased peak velocity by 25%, diastolic-to-systolic velocity range by 44%, and blood velocity acceleration by 134% in the vertebrobasilar arteries. This effect may facilitate stress-related increases in blood flow to the cerebellum (improving motor coordination) and reticular-activating system (enhancing attention and focus) via a nitric oxide-dependent mechanism, thereby improving survival in fight-or-flight situations.NEW & NOTEWORTHY Hemodynamic modeling reveals potential evolutionary benefits of the intact circle of Willis (CW) during fear and aerobic exercise. The CW equalizes pulse waveforms due to bidirectional shunting of blood flow through communicating arteries, which boosts vertebrobasilar blood flow velocity and acceleration. These phenomena may enhance perfusion of the brainstem and cerebellum via nitric oxide-mediated vasodilation, improving performance of the reticular-activating system and motor coordination in survival situations.

Abstract A microrobot system comprised of an untethered tumbling magnetic microrobot, a two degree of freedom rotating permanent magnet, and an ultrasound imaging system has been developed for in vitro and in vivo biomedical applications. The microrobot tumbles end-over-end in a net forward motion due to applied magnetic torque from the rotating magnet. By turning the rotational axis of the magnet, two-dimensional directional control is possible and the microrobot was steered along various trajectories, including a circular path and P-shaped path. The microrobot is capable of moving over the unstructured terrain within a murine colon in in vitro , in situ , and in vivo conditions, as well as a porcine colon in ex vivo conditions. High frequency ultrasound imaging allows for real-time determination of the microrobot’s position while it is optically occluded by animal tissue. When coated with a fluorescein payload, the microrobot was shown to release the majority of the payload over a one hour time period in phosphate-buffered saline. Cytotoxicity tests demonstrated that the microrobot’s constituent materials, SU-8 and polydimethylsiloxane (PDMS), did not show a statistically significant difference in toxicity to murine fibroblasts from the negative control, even when the materials were doped with magnetic neodymium microparticles. The microrobot system’s capabilities make it promising for targeted drug delivery and other in vivo biomedical applications.

Atrial fibrillation (AF), the most common sustained cardiac arrhythmia, increases thromboembolic stroke risk five-fold. Although atrial hypocontractility contributes to stroke risk in AF, the molecular mechanisms reducing myofilament contractile function remain unknown. We tested the hypothesis that increased expression of PPP1R12C, the PP1 regulatory subunit targeting atrial myosin light chain 2 (MLC2a), causes hypophosphorylation of MLC2a and results in atrial hypocontractility.Right atrial appendage tissues were isolated from human AF patients versus sinus rhythm (SR) controls. Western blots, co-immunoprecipitation, and phosphorylation studies were performed to examine how the PP1c-PPP1R12C interaction causes MLC2a de-phosphorylation. In vitro studies of pharmacologic MRCK inhibitor (BDP5290) in atrial HL-1 cells were performed to evaluate PP1 holoenzyme activity on MLC2a. Cardiac-specific lentiviral PPP1R12C overexpression was performed in mice to evaluate atrial remodeling with atrial cell shortening assays, echocardiography, and AF inducibility with EP studies.In human patients with AF, PPP1R12C expression was increased two-fold versus SR controls ( P =2.0×10 -2 , n=12,12 in each group) with > 40% reduction in MLC2a phosphorylation ( P =1.4×10 -6 , n=12,12 in each group). PPP1R12C-PP1c binding and PPP1R12C-MLC2a binding were significantly increased in AF ( P =2.9×10 -2 and 6.7×10 -3 respectively, n=8,8 in each group). In vitro studies utilizing drug BDP5290, which inhibits T560-PPP1R12C phosphorylation, demonstrated increased PPP1R12C binding with both PP1c and MLC2a, and dephosphorylation of MLC2a. Lenti-12C mice demonstrated a 150% increase in LA size versus controls ( P =5.0×10 -6 , n=12,8,12), with reduced atrial strain and atrial ejection fraction. Pacing-induced AF in Lenti-12C mice was significantly higher than controls ( P =1.8×10 -2 and 4.1×10 -2 respectively, n= 6,6,5).AF patients exhibit increased levels of PPP1R12C protein compared to controls. PPP1R12C overexpression in mice increases PP1c targeting to MLC2a and causes MLC2a dephosphorylation, which reduces atrial contractility and increases AF inducibility. These findings suggest that PP1 regulation of sarcomere function at MLC2a is a key determinant of atrial contractility in AF.

Abstract Two‐dimensional ultrasound (2DUS) echocardiography is the main noninvasive method used to evaluate cardiac function in animal models of myocardial infarction (MI). However, 2DUS echocardiography does not capture regional differences in cardiac contractility since it relies on planar images to estimate left ventricular (LV) geometry and global function. Thus, the current study was designed to evaluate the efficacy of a newly developed 4‐dimensional ultrasound (4DUS) method in detecting cardiac functional differences between two models of MI, permanent ligation (PL), and ischemia/reperfusion (I/R) in rats. We found that only 4DUS was able to detect LV global functional differences between the two models and that 4DUS‐derived surface area strain accurately detected infarcted regions within the myocardium that correlated well with histological infarct size analysis. We also found that 4DUS‐derived strain, which includes circumferential, longitudinal, and surface area strain, correlated with the peak positive of the first derivative of left ventricular pressure (+ dP / dt max ). In conclusion, 4DUS strain echocardiography effectively assesses myocardial mechanics following experimentally induced ischemia in rats and accurately estimates infarct size as early as 1 day after injury. 4DUS also correlates well with + dP / dt max , a widely used marker of cardiac contractility.

Heart failure (HF) is the most common cause of adult morbidity and mortality. The clinical course of these patients generally consists of a gradual decline in cardiac function, marked by fibrosis and reduced contractility. However, for small subsets of patients, therapeutic approaches such as valve replacement after aortic stenosis have been shown to not only block the progression of HF, but also enable functional recovery, a process known as "reverse remodelling". Very little is known about the mechanisms underlying cardiac reverse remodelling. We aimed to establish a murine model of cardiac reverse remodelling in order to better characterize the cellular responses underlying improvement of cardiac function in failing heart. We have developed a refined murine model of reverse remodelling, based on sequential mechanical loading [transverse aortic constriction (TAC)] and unloading (de-TAC) of the left ventricle requiring only one round of invasive surgery. Cardiac function was assessed by 2D and 4D-echocardiography, and hearts were analysed by immunofluorescence and single nuclei sequencing approaches. Following 3 weeks aortic banding, ejection fraction was significantly reduced (35.01 ± 7.89%; n = 8). Removal of the aortic band (de-TAC) allowed immediate normalisation of aortic flux (3.73 ± 0.39 m/s vs. 1.78 ± 0.44 m/s; P < 0.001) and gradual recovery of left ventricular longitudinal strain (−9.17 ± 2.03% vs. −16.85 ± 4.01%; P < 0.001) during the following 4 weeks (Fig. 1). Interestingly, histological examination of remodelling myocardium revealed the presence of activated interstitial cells, including significant numbers of cardiac fibroblasts. Single nuclei analysis at 7 days post de-TAC revealed specific transcriptional programs in cardiac cell populations, including increased CD200 signalling in cardiac fibroblasts. We have developed an improved murine model of reverse remodelling that has enabled us to uncover specific signaling in cardiac cells associated with functional recovery. Further characterisation of candidate signaling pathways may lead to uncovering targets of interest for the treatment of heart failure.

Abstract Measurement of internal intervertebral disc strain is paramount for understanding the underlying mechanisms of injury and validating computational models. Although advancements in noninvasive imaging and image processing have made it possible to quantify strain, they often rely on visual markers that alter tissue mechanics and are limited to static testing that is not reflective of physiologic loading conditions. The purpose of this study was to integrate high-frequency ultrasound and texture correlation to quantify disc strain during dynamic loading. We acquired ultrasound images of the posterior side of bovine discs in the8 transverse plane throughout 0-0.5mm of assigned axial compression at 0.3-0.5Hz. Internal Green-Lagrangian strains were quantified across time using direct deformation estimation, a texture correlation method. Median principal strain at maximal compression 0.038 ± 0.011 for E1 and -0.042 ± 0.012 for E2. Strain distributions were heterogeneous through the discs, with higher strains noted near the disc endplates. This methodological report shows that high-frequency ultrasound can be a valuable tool for quantification of disc strain under dynamic loading conditions. Further work will be needed to determine if diseased or damaged discs reveal similar strain patterns, opening the possibility of clinical use in patients with disc disease.

ABSTRACT Image-based deformation estimation is an important tool used in a variety of engineering problems, including crack propagation, fracture, and fatigue failure. These tools have been instrumental in biomechanics research where measuring in vitro and in vivo tissue deformations help evaluate tissue health and disease progression. However, accurately measuring tissue deformation in vivo is particularly challenging due to limited image signal-to-noise ratio. Therefore, we created a novel deep-learning approach for measuring deformation from a sequence of in vivo images called StrainNet . Utilizing a training dataset that incorporates image artifacts, StrainNet was designed to maximize performance in challenging in vivo settings. Artificially generated image sequences of human flexor tendons undergoing known deformations were used to compare StrainNet against two conventional image-based strain measurement techniques. StrainNet outperformed the traditional techniques by nearly 90%. High-frequency ultrasound imaging was then used to acquire images of the flexor tendons engaged during contraction. Only StrainNet was able to track tissue deformations under the in vivo test conditions. Findings revealed strong correlations between tendon deformation and contraction effort, highlighting the potential for StrainNet to be a valuable tool for assessing preventative care, rehabilitation strategies, or disease progression. Additionally, by using real-world data to train our model, StrainNet was able to generalize and reveal important relationships between the effort exerted by the participant and tendon mechanics. Overall, StrainNet demonstrated the effectiveness of using deep learning for image-based strain analysis in vivo .