¿Avance cerebral? Los científicos de Duke ayudan a crear el primer aneurisma bioimpreso vivo fuera del cuerpo humano

DURHAM – Los aneurismas cerebrales afectan aproximadamente a uno de cada 50 estadounidenses y pueden provocar emergencias médicas graves, como derrames cerebrales, daño cerebral y la muerte si estallan. Las opciones de tratamiento existentes son limitadas y a menudo invasivas, y los resultados quirúrgicos pueden variar ampliamente de persona a persona.

Pero los médicos pueden mejorar los métodos de tratamiento existentes y desarrollar otros nuevos personalizados, gracias a investigadores de Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) y sus colaboradores externos. El equipo, que incluye científicos de la Universidad de Duke y Texas A&M, se ha convertido en el primero en producir un aneurisma vivo bioimpreso fuera del cuerpo humano, realizar un procedimiento médico en él y observar cómo responde y sana como lo haría en un cerebro humano real.

Como se describe en la revista. Biofabricación, un equipo de LLNL liderado por los ingenieros William “Rick” Hynes y Monica Moya pudieron replicar un aneurisma in vitro mediante la impresión 3D de vasos sanguíneos con células cerebrales humanas. Hynes realizó un procedimiento de reparación endovascular en el aneurisma impreso: insertó un catéter en el vaso sanguíneo y empaquetó firmemente espirales de platino dentro del saco del aneurisma. Después del tratamiento de empaquetamiento, los investigadores introdujeron plasma sanguíneo en el aneurisma y observaron la formación de un coágulo de sangre donde estaban ubicadas las espirales, impidiéndole el flujo de líquido. Los investigadores también pudieron observar el proceso de curación "postoperatorio" de las células endoteliales dentro de los vasos.

Los científicos de LLNL dijeron que la plataforma, cuando se combina con el modelado por computadora, representa un paso importante para desarrollar atención específica para los aneurismas del paciente basándose en la geometría de los vasos sanguíneos, la presión arterial y otros factores de un individuo, y podría ayudar a superar uno de los mayores obstáculos de la ingeniería biomédica: el Es el tiempo que tardan las nuevas técnicas y tecnologías quirúrgicas en pasar del laboratorio a la clínica.

"Si bien hay muchas opciones de tratamiento prometedoras, a algunas todavía les queda un largo camino por recorrer", afirmó Moya, investigador principal del proyecto. “Los modelos animales no son necesariamente la mejor manera de probar estas opciones, ya que carecen de observación directa de los efectos del tratamiento y tienen geometrías de aneurisma incontrolables. Tener esta sólida plataforma de pruebas in vitro en humanos podría ayudar a facilitar nuevos tratamientos. Si podemos replicar los aneurismas tanto como necesitamos con estos dispositivos, podríamos ayudar a acelerar la llegada de algunos de estos productos a la clínica y, esencialmente, brindarles a los pacientes mejores opciones de tratamiento”.

Causados por un debilitamiento de las paredes de las arterias, los aneurismas cerebrales se caracterizan por un "inflamiento" o abultamiento de un vaso sanguíneo en el cerebro y pueden ser potencialmente fatales si se rompen. Un tratamiento común es el “corte” quirúrgico: colocar un clip de metal en la base del aneurisma para redirigir el flujo sanguíneo y evitar que explote. El procedimiento es altamente invasivo y requiere que los cirujanos abran el cráneo y expongan el cerebro. En algunos casos, como cuando el aneurisma está ubicado en regiones inaccesibles del cerebro, el tratamiento ni siquiera es una opción.

Un tratamiento más común y menos invasivo es el método endovascular con espirales metálicas, en el que un cirujano introduce un fino catéter metálico (insertado en una arteria de la ingle) a lo largo del cuerpo hasta el aneurisma, lo rellena con espirales o stents y hace que se expanda. coágulo. El endotelio que recubre el vaso sanguíneo crece sobre el tapón coagulado, separando el aneurisma del resto de la vasculatura. La desventaja del "enrollamiento" es que el éxito depende en gran medida de una variedad de factores, incluida la geometría de los vasos sanguíneos del paciente, que difieren de una persona a otra, dijeron los investigadores.

Para eliminar algunas de las conjeturas sobre los tratamientos de aneurisma, Hynes, el investigador principal original que propuso el proyecto, se dio cuenta de que los investigadores necesitarían una forma de validar modelos 3D más predictivos que tuvieran en cuenta la geometría del paciente. La bioimpresión con células humanas, dijo Hynes, permite a los investigadores crear modelos experimentales biológicamente relevantes de intervenciones de aneurismas que son idénticos a los modelos informáticos, para validarlos de forma precisa y sencilla.

"Analizamos el problema y pensamos que si podíamos combinar modelos computacionales y enfoques experimentales, tal vez podríamos encontrar un método más determinista para tratar los aneurismas o seleccionar tratamientos que pudieran servir mejor al paciente", dijo Hynes, quien dirigió el proyecto. para su primer año. "Ahora podemos empezar a construir el marco de un modelo personalizado que un cirujano podría utilizar para determinar el mejor método para tratar un aneurisma".

Hynes dijo que LLNL está adoptando un “enfoque triple”, al asociarse con el ex científico de LLNL Duncan Maitland, quien dirige un grupo de ingeniería biomédica en Texas A&M y también dirige una compañía que desarrolla una bobina experimental con memoria de forma para tratar aneurismas, y Amanda Randles, ex científico computacional del laboratorio y actual profesor asistente de la Universidad de Duke que desarrolló un código para simular el flujo sanguíneo, llamado HARVEY. Utilizando el dispositivo, los investigadores del laboratorio pudieron validar el modelo de dinámica de flujo de Randles, verificando resultados que se observarían en el mundo real. A tasas de flujo bajas, los investigadores observaron poco movimiento de sangre hacia el aneurisma, mientras que una tasa de flujo aumentada, como ocurre cuando una persona está agitada o nerviosa, resultó en un flujo circular de sangre a través del aneurisma, como se esperaría en un verdadero Aneurisma Cerebral.

Al combinar la plataforma impresa en 3D con modelos computacionales, los investigadores dijeron que han desarrollado una herramienta potencial para que los cirujanos preseleccionen los mejores tipos de bobinas necesarios para empacar completamente un aneurisma para obtener el mejor resultado del tratamiento y realizar "ejecuciones de prueba". de procedimientos antes de intentarlos en el paciente humano.

"Esencialmente, un médico podría literalmente observar el escáner cerebral de alguien, ejecutarlo a través del software de modelado, y el software podría mostrar la dinámica de fluidos antes del tratamiento", dijo Hynes. "También debería poder simular ese tratamiento y permitir al médico limitarse a un determinado tipo de bobina o volumen de empaquetadura para garantizar el mejor resultado posible".

La mayoría de los modelos computacionales de aneurismas se validan induciendo aneurismas en animales y realizándoles cirugía. Los modelos animales son imperfectos, explicaron los investigadores, porque es difícil recopilar datos sobre ellos y las geometrías de sus vasos no son reproducibles. Los científicos también utilizan dispositivos no biológicos, como tubos de silicona impresos en 3D, donde se puede controlar la geometría de los vasos, pero es posible que los resultados no reflejen la biología humana.

A diferencia de los modelos animales, la plataforma de LLNL permite a los científicos medir directamente la dinámica de los fluidos dentro de los vasos y el aneurisma manteniendo la relevancia biológica, lo mejor de todos los mundos para validar un modelo informático, dijeron los investigadores.

"Esta es una plataforma ideal para un modelo in silico porque podemos realizar estas mediciones de flujo que serían increíblemente difíciles de realizar si se hicieran esto en un animal", dijo Moya. “Lo interesante es que esta plataforma imita la distensibilidad de los vasos sanguíneos y la rigidez mecánica del tejido cerebral. También es lo suficientemente robusto como para soportar un procedimiento de enrollado. Estás viendo que el vaso se distiende y se mueve, pero es capaz de resistir el procedimiento, de forma muy parecida a como lo harías in vivo. Esto lo hace ideal para ser utilizado como plataforma de capacitación para cirujanos o como sistema de prueba in vitro para dispositivos de embolización”.

Además de brindar atención específica al paciente y servir como banco de pruebas para la capacitación quirúrgica, los investigadores dijeron que la plataforma tiene potencial para mejorar la comprensión de la biología básica y la respuesta curativa posquirúrgica.

Si bien los primeros resultados son prometedores, los investigadores advirtieron que queda un largo camino por recorrer antes de que la plataforma vea aplicación en el entorno clínico. El siguiente paso del equipo es combinar un modelo bidimensional de coagulación sanguínea desarrollado por el ingeniero computacional de LLNL y coautor del artículo Jason Ortega con el modelo de dinámica de fluidos 3D de Randles, para simular cómo se forman los coágulos sanguíneos en respuesta a las bobinas en tres dimensiones. Su objetivo es comparar las bobinas desnudas tradicionales con las bobinas experimentales de polímero con memoria de forma desarrolladas por Maitland que están diseñadas para expandirse dentro del aneurisma para promover una mejor coagulación y mejorar los resultados del paciente.

El trabajo fue financiado por el programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio. Los coautores incluyeron a Lindy Jang de la Universidad Texas A&M, Javier Alvarado y Elisa Wasson de LLNL, Marianna Pepona de la Universidad de Duke y Landon Nash de Shape Memory Medical.

(C) Universidad de Duke

Fuente del artículo original: WRAL TechWire