Gehirndurchbruch? Duke-Wissenschaftler helfen dabei, das erste lebende, biogedruckte Aneurysma außerhalb des menschlichen Körpers zu schaffen

DURHAM – Ungefähr jeder 50. Amerikaner ist von Hirnaneurysmen betroffen und kann zu schweren medizinischen Notfällen führen, darunter Schlaganfall, Hirnschäden und Tod, wenn sie platzen. Bestehende Behandlungsmöglichkeiten sind begrenzt und oft invasiv, und die chirurgischen Ergebnisse können von Person zu Person sehr unterschiedlich sein.

Dank der Forscher von können Ärzte jedoch möglicherweise bestehende Behandlungsmethoden verbessern und neue personalisierte entwickeln Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) und ihre externen Mitarbeiter. Das Team, zu dem Wissenschaftler der Duke University und gehören Texas A&M, war der erste, der ein lebendes, biogedrucktes Aneurysma außerhalb des menschlichen Körpers erzeugte, einen medizinischen Eingriff daran durchführte und beobachtete, wie es reagierte und heilte, wie es in einem echten menschlichen Gehirn der Fall wäre.

Wie im Tagebuch beschrieben Biofabrikationkonnte ein LLNL-Team unter der Leitung der Ingenieure William „Rick“ Hynes und Monica Moya ein Aneurysma reproduzieren in vitro durch 3D-Druck von Blutgefäßen mit menschlichen Gehirnzellen. Hynes führte ein endovaskuläres Reparaturverfahren am gedruckten Aneurysma durch, indem er einen Katheter in das Blutgefäß einführte und Platinspiralen fest in den Aneurysmasack drückte. Nach der Packbehandlung führten die Forscher Blutplasma in das Aneurysma ein und beobachteten die Bildung eines Blutgerinnsels an der Stelle, an der sich die Spiralen befanden, wodurch es vom Flüssigkeitsfluss abgeschnitten wurde. Die Forscher konnten auch den „postoperativen“ Heilungsprozess der Endothelzellen in den Gefäßen beobachten.

LLNL-Wissenschaftler sagten, dass die Plattform in Kombination mit Computermodellen einen bedeutenden Schritt zur Entwicklung einer patientenspezifischen Versorgung von Aneurysmen auf der Grundlage der Blutgefäßgeometrie, des Blutdrucks und anderer Faktoren einer Person darstellt und dazu beitragen könnte, eine der größten Hürden der biomedizinischen Technik zu überwinden – die Es dauert lange, bis neue chirurgische Techniken und Technologien vom Labor in die Klinik gelangen.

„Obwohl es viele vielversprechende Behandlungsmöglichkeiten gibt, haben einige noch einen langen Weg vor sich“, sagte Moya, der Hauptforscher des Projekts. „Tiermodelle sind nicht unbedingt die beste Möglichkeit, diese Optionen auszuprobieren, da sie keine direkte Beobachtung der Behandlungseffekte ermöglichen und unkontrollierbare Aneurysmageometrien aufweisen. Diese robuste Plattform für In-vitro-Tests am Menschen könnte dazu beitragen, neue Behandlungen zu ermöglichen. Wenn wir Aneurysmen mit diesen Geräten so weit wie nötig nachbilden können, könnten wir dazu beitragen, dass einige dieser Produkte schneller in die Klinik gelangen und den Patienten im Wesentlichen bessere Behandlungsmöglichkeiten bieten.“

Zerebrale Aneurysmen werden durch eine Schwächung der Arterienwände verursacht und zeichnen sich durch eine „Ballonbildung“ oder Ausbeulung eines Blutgefäßes im Gehirn aus. Wenn sie reißen, können sie möglicherweise tödlich sein. Eine häufige Behandlung ist das chirurgische „Clipping“ – das Anbringen einer Metallklammer an der Basis des Aneurysmas, um den Blutfluss umzuleiten und ein Platzen des Aneurysmas zu verhindern. Der Eingriff ist äußerst invasiv und erfordert, dass Chirurgen den Schädel öffnen und das Gehirn freilegen. In manchen Fällen, etwa wenn sich das Aneurysma in unzugänglichen Regionen im Gehirn befindet, kommt eine Behandlung gar nicht erst in Frage.

Eine häufigere und weniger invasive Behandlung ist der endovaskuläre Metal-Coiling-Ansatz, bei dem ein Chirurg einen dünnen Metallkatheter, der in eine Arterie in der Leiste eingeführt wird, durch den Körper und in das Aneurysma einführt, ihn mit Spiralen oder Stents füllt und bewirkt, dass er sich öffnet gerinnen. Das Endothel, das das Blutgefäß auskleidet, wächst über den Gerinnselpfropfen und grenzt das Aneurysma vom Rest des Gefäßsystems ab. Der Nachteil des „Coiling“ besteht darin, dass der Erfolg stark von einer Vielzahl von Faktoren abhängt, einschließlich der Geometrie der Blutgefäße des Patienten, die sich von Person zu Person unterscheidet, sagten Forscher.

Um das Rätselraten bei der Behandlung von Aneurysmen zu vereinfachen, erkannte Hynes, der ursprüngliche Hauptforscher, der das Projekt vorgeschlagen hatte, dass Forscher eine Möglichkeit benötigen würden, prädiktivere 3D-Modelle zu validieren, die die Patientengeometrie berücksichtigen. Bioprinting mit menschlichen Zellen, so Hynes, ermöglicht es Forschern, biologisch relevante experimentelle Modelle von Aneurysma-Eingriffen zu erstellen, die mit den Computermodellen identisch sind, um sie genau und einfach zu validieren.

„Wir haben uns das Problem angesehen und dachten, wenn wir Computermodelle und experimentelle Ansätze kombinieren könnten, könnten wir vielleicht eine deterministischere Methode zur Behandlung von Aneurysmen oder zur Auswahl von Behandlungen entwickeln, die dem Patienten am besten dienen könnten“, sagte Hynes, der das Projekt leitete für sein erstes Jahr. „Jetzt können wir damit beginnen, den Rahmen eines personalisierten Modells zu erstellen, das ein Chirurg verwenden könnte, um die beste Methode zur Behandlung eines Aneurysmas zu bestimmen.“

Hynes sagte, LLNL verfolge einen „dreigleisigen Ansatz“ und arbeite mit dem ehemaligen LLNL-Wissenschaftler Duncan Maitland zusammen, der eine Gruppe für biomedizinische Technik bei Texas A&M leitet und außerdem ein Unternehmen leitet, das eine experimentelle Formgedächtnisspule zur Behandlung von Aneurysmen entwickelt Amanda Randles, ein ehemaliger Informatiker im Labor und derzeitiger Assistenzprofessor an der Duke University, der einen Code zur Simulation des Blutflusses namens HARVEY entwickelt hat. Mit dem Gerät konnten die Laborforscher das Strömungsdynamikmodell von Randles validieren und Ergebnisse verifizieren, die in der realen Welt beobachtet werden würden. Bei niedrigen Flussraten stellten die Forscher kaum eine Bewegung des Blutes in das Aneurysma fest, wohingegen eine erhöhte Flussrate, wie sie beispielsweise auftritt, wenn eine Person unruhig oder nervös ist, zu einem zirkulären Blutfluss durch das Aneurysma führte, wie es bei einem echten Aneurysma zu erwarten wäre Gehirn-Aneurysma.

Durch die Kombination der 3D-gedruckten Plattform mit Computermodellen haben die Forscher nach eigenen Angaben ein potenzielles Tool für Chirurgen entwickelt, mit dem sie die besten Spulentypen vorab auswählen können, die zum vollständigen Verpacken eines Aneurysmas erforderlich sind, um das beste Behandlungsergebnis zu erzielen, und „Testläufe“ durchführen können. von Verfahren, bevor sie am menschlichen Patienten durchgeführt werden.

„Im Wesentlichen könnte ein Kliniker buchstäblich den Gehirnscan einer Person betrachten, ihn durch die Modellierungssoftware laufen lassen und die Software könnte die Strömungsdynamik vor der Behandlung zeigen“, sagte Hynes. „Es sollte auch in der Lage sein, diese Behandlung zu simulieren und es dem Arzt ermöglichen, sich auf einen bestimmten Spulentyp oder ein bestimmtes Packungsvolumen einzugrenzen, um das bestmögliche Ergebnis zu erzielen.“

Die meisten Computermodelle für Aneurysmen werden validiert, indem Tiere mit Aneurysmen induziert und an ihnen operiert werden. Tiermodelle seien unvollkommen, erklärten Forscher, weil es schwierig sei, Daten über sie zu sammeln, und ihre Gefäßgeometrien nicht reproduzierbar seien. Wissenschaftler verwenden auch nicht-biologische Geräte wie 3D-gedruckte Silikonschläuche, mit denen die Gefäßgeometrie gesteuert werden kann, die Ergebnisse jedoch möglicherweise nicht die menschliche Biologie widerspiegeln.

Im Gegensatz zu Tiermodellen ermöglicht die LLNL-Plattform Wissenschaftlern die direkte Messung der Flüssigkeitsdynamik innerhalb der Gefäße und des Aneurysmas unter Beibehaltung der biologischen Relevanz – die beste aller Welten für die Validierung eines Computermodells, so die Forscher.

„Dies ist eine ideale Plattform für ein In-silico-Modell, da wir diese Durchflussmessungen durchführen können, die bei einem Tier unglaublich schwierig wären“, sagte Moya. „Das Spannende ist, dass diese Plattform die Compliance von Blutgefäßen und die mechanische Steifheit von Gehirngewebe nachahmt. Es ist auch robust genug, um einen Wickelvorgang zu bewältigen. Sie sehen, wie sich das Gefäß ausdehnt und bewegt, aber es kann dem Eingriff standhalten – ganz ähnlich, wie Sie es in vivo tun würden. Damit eignet es sich ideal als Trainingsplattform für Chirurgen oder als In-vitro-Testsystem für Embolisationsgeräte.“

Zusätzlich zur patientenspezifischen Versorgung und als Testumgebung für die chirurgische Ausbildung bietet die Plattform laut Forschern Potenzial für die Verbesserung des Verständnisses der grundlegenden Biologie und der Heilungsreaktion nach der Operation.

Obwohl die ersten Ergebnisse vielversprechend sind, warnen die Forscher, dass es noch ein langer Weg sei, bis die Plattform im klinischen Umfeld Anwendung findet. Der nächste Schritt des Teams besteht darin, ein zweidimensionales Blutgerinnungsmodell, das vom LLNL-Recheningenieur und Mitautor der Arbeit Jason Ortega entwickelt wurde, mit dem 3D-Fluiddynamikmodell von Randles zu kombinieren, um zu simulieren, wie sich Blutgerinnsel als Reaktion auf die Spiralen in drei Dimensionen bilden. Sie zielen darauf ab, die traditionellen Bare Coils mit den von Maitland entwickelten experimentellen Formgedächtnispolymer-Coils zu vergleichen, die sich im Inneren des Aneurysmas ausdehnen sollen, um eine bessere Blutgerinnung zu fördern und die Behandlungsergebnisse für den Patienten zu verbessern.

Die Arbeit wurde durch das Laboratory Directed Research and Development-Programm finanziert. Zu den Co-Autoren gehörten Lindy Jang von der Texas A&M University, Javier Alvarado und Elisa Wasson von LLNL, Marianna Pepona von der Duke University und Landon Nash von Shape Memory Medical.

(C) Duke University

Originalquelle des Artikels: WRAL TechWire