Shear-induced conformational changes of von Willebrand factor (VWF) play an important role in platelet activation. A novel approach describing VWF unfolding on the platelet surface under dynamic shear stress is proposed. Cumulative effect of dynamic shear on platelet activation via conformational changes of VWF is analysed. The critical condition of shearinduced platelet activation is formulated. The explicit expression for the threshold value of cumulative shear stress as a function of VWF multimer size is derived. The results open novel prospects for pharmacological regulation of shear-induced platelet activation through control of VWF multimers size distribution.

No abstract

Shear-induced platelet activation (SIPAct) is an important mechanism of thrombosis initiation under high blood flow. This mechanism relies on the interaction of platelets with the von Willebrand factor (VWF) capable of unfolding under high shear stress. High shear stress occurs in the arteriovenous fistula (AVF) commonly used for haemodialysis. A novel patient-specific approach for the modelling of SIPAct in the AVF was proposed. This enabled us to estimate the SIPAct level via computational fluid dynamics. The suggested approach was applied for the SIPAct analysis in AVF geometries reconstructed from medical images. The approach facilitates the determination of the SIPAct level dependence on both biomechanical (AVF flow rate) and biochemical factors (VWF multimer size). It was found that the dependence of the SIPAct level on the AVF flow rate can be approximated by a power law. The critical flow rate was a decreasing function of the VWF multimer size. Moreover, the critical AVF flow rate highly depended on patient-specific factors, e.g., the vessel geometry. This indicates that the approach may be adopted to elucidate patient-specific thrombosis risk factors in haemodialysis patients.

Методами математического моделирования изучена гидродинамическая активация тромбоцитов в артериовенозных фистулах, используемых для проведения гемодиализа. Цель работы -найти те конфигурации артериовенозных фистул, риск активации в которых снижен при типичных для фистул скоростей течения. В рамках развитого подхода условием гидродинамической активации считалось превышение кумулятивным напряжением сдвига определенного порога. Величина порога зависела от степени мультимерности макромолекул фактора фон Виллебранда, играющих роль гидродинамических сенсоров у тромбоцитов. В работе было изучено влияние ряда представляющих интерес параметров артериовенозных фистул, таких как величина анастомозного угла, интенсивность кровотока, а также мультимерность макромолекул фактора фон Виллебранда, на активацию тромбоцитов. Построены параметрические диаграммы, позволяющие выделять области параметров, соответствующие наличию или отсутствию гидродинамической активации тромбоцитов. Получены скейлинговые соотношения, характеризующие критические кривые на параметрических диаграммах. Анализ влияния величины анастомозного угла на гидродинамическую активацию тромбоцитов показал, что тупые анастомозные углы должны в меньшей мере приводить к активации, чем острые. Исследование различных типов соединения артерий и вен в артериовенозных фистулах показало, что к числу наиболее безопасных относится конфигурация «конец вены в конец артерии». Для всех исследованных конфигураций артериовенозных фистул критические кривые, разделяющие области на параметрических диаграммах, являются монотонно убывающими функциями от степени мультимерности фактора фон Виллебранда. Выяснилось, что интенсивность кровотока через фистульную вену оказывает существенное влияние на вероятность запуска тромбообразования, в то время как направление течения через дистальную артерию значимо не сказывается на активации тромбоцитов. Полученные результаты позволяют определять конфигурации фистул, наиболее безопасные с точки зрения запуска тромбообразования. Авторы полагают, что результаты работы могут представлять интерес для врачей, выполняющих хирургические операции по созданию артериовенозных фистул для гемодиализа. В заключении обсуждается ряд клинических приложений результатов.Ключевые слова: математическое моделирование, артериовенозная фистула, напряжение сдвига, активация тромбоцитов, фактор фон Виллебранда Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 19-11-00260).