Aivojen läpimurto? Duken tiedemiehet auttavat luomaan ensimmäisen elävän, biopainetun aneurysman ihmiskehon ulkopuolelle
Julkaisupäivä:DURHAM – Aivojen aneurysmat vaikuttavat noin yhteen 50:stä amerikkalaisesta ja voivat johtaa vakaviin lääketieteellisiin hätätilanteisiin, mukaan lukien aivohalvaus, aivovaurio ja kuolema, jos ne puhkeavat. Nykyiset hoitovaihtoehdot ovat rajallisia ja usein invasiivisia, ja kirurgiset tulokset voivat vaihdella suuresti henkilöstä toiseen.
Lääkärit saattavat kuitenkin pystyä parantamaan olemassa olevia hoitomenetelmiä ja kehittämään uusia yksilöllisiä, kiitos tutkijoiden Lawrence Livermoren kansallinen laboratorio (LLNL) ja heidän ulkopuoliset yhteistyökumppaninsa. Tiimi, johon kuuluu tutkijoita Duken yliopistosta ja Texas A&M, on ensimmäinen, joka tuottaa elävän, biopainetun aneurysman ihmiskehon ulkopuolelle, suorittaa sille lääketieteellisen toimenpiteen ja tarkkailee sen reagoivan ja paranevan samalla tavalla kuin todellisissa ihmisaivoissa.
Kuten lehdessä on kuvattu Biovalmistus, LLNL-tiimi, jota johtivat insinöörit William "Rick" Hynes ja Monica Moya, pystyivät replikoimaan aneurysman in vitro 3D-tulostamalla verisuonia ihmisen aivosoluilla. Hynes suoritti painetun aneurysman endovaskulaarisen korjaustoimenpiteen – asetti katetrin verisuoniin ja pakkasi platinakelat tiukasti aneurysmapussin sisään. Pakkaushoidon jälkeen tutkijat veivät veriplasmaa aneurysmaan ja havaitsivat verihyytymän muodostumista kierukoiden sijaintipaikassa, mikä katkaisi sen nestevirtauksesta. Tutkijat pystyivät myös tarkkailemaan verisuonten endoteelisolujen "operaation jälkeistä" paranemisprosessia.
LLNL-tutkijat sanoivat, että alusta yhdistettynä tietokonemallinnukseen edustaa merkittävää askelta kehitettäessä potilaskohtaista aneurysmien hoitoa yksilön verisuonten geometriaan, verenpaineeseen ja muihin tekijöihin perustuen, ja se voisi auttaa voittamaan yhden biolääketieteen tekniikan suurimmista esteistä. uusien kirurgisten tekniikoiden ja teknologioiden siirtyminen laboratoriosta klinikalle kestää.
"Vaikka lupaavia hoitovaihtoehtoja on paljon, joillakin on vielä pitkä matka kuljettavana", sanoi Moya, hankkeen päätutkija. ”Eläinmallit eivät välttämättä ole paras tapa kokeilla näitä vaihtoehtoja, koska niistä puuttuu suora hoidon vaikutusten havainnointi ja niiden aneurysmageometriat ovat hallitsemattomia. Tämä vankka, ihmisen in vitro -testausalusta voisi helpottaa uusia hoitoja. Jos pystymme replikoimaan aneurysmia niin paljon kuin tarvitsemme näillä laitteilla, voimme auttaa saamaan joitain näistä tuotteista klinikalle ja tarjoamaan potilaille paremmat hoitovaihtoehdot.
Valtimoiden seinämien heikkenemisestä johtuville aivojen aneurysmoille on ominaista aivojen verisuonen "pallottomuus" tai pullistuminen, ja ne voivat olla hengenvaarallisia, jos ne repeytyvät. Eräs yleinen hoitomuoto on kirurginen "leikkaus" – metallipidikkeen kiinnittäminen aneurysman pohjaan ohjaamaan verenvirtausta poispäin ja estämään sitä räjähtämästä. Toimenpide on erittäin invasiivinen, ja se vaatii kirurgien avaamaan kallon ja paljastamaan aivot. Joissakin tapauksissa, kuten silloin, kun aneurysma sijaitsee vaikeapääsyisillä alueilla aivoissa, hoito ei ole edes vaihtoehto.
Yleisempi ja vähemmän invasiivinen hoitomuoto on endovaskulaarinen metallikäämitysmenetelmä, jossa kirurgi syöttää ohuen metallikatetrin, joka on asetettu nivusvaltimoon, kehon läpi ja aneurysmaan pakaten sen kierukoilla tai stenteillä ja aiheuttaa sen hyytyä. Verisuonen vuoraava endoteeli kasvaa hyytyneen tulpan yli ja seinää aneurysman irti muusta verisuonistosta. "Kiertymisen" haittapuoli on, että menestys riippuu suuresti useista tekijöistä, mukaan lukien potilaan verisuonten geometria, jotka vaihtelevat henkilöstä toiseen, tutkijat sanoivat.
Hankkeen ehdottanut alkuperäinen päätutkija Hynes ymmärsi, että tutkijat tarvitsisivat keinon validoida ennustavampia 3D-malleja, jotka ottavat huomioon potilaan geometrian. Hynes sanoi, että biotulostus ihmissoluilla antaa tutkijoille mahdollisuuden luoda biologisesti merkityksellisiä kokeellisia malleja aneurysmainterventioista, jotka ovat identtisiä tietokonemallien kanssa, jotta ne voidaan validoida tarkasti ja helposti.
"Tarkastelimme ongelmaa ja ajattelimme, että jos voisimme yhdistää laskennallisen mallinnuksen ja kokeelliset lähestymistavat, voisimme ehkä keksiä deterministisemmän menetelmän aneurysmien hoitoon tai sellaisten hoitojen valitsemiseen, jotka palvelisivat potilasta parhaiten", projektia johtanut Hynes sanoi. ensimmäiseksi vuodeksi. "Nyt voimme alkaa rakentaa puitteita yksilölliselle mallille, jonka avulla kirurgi voisi määrittää parhaan menetelmän aneurysman hoitoon."
Hynes sanoi, että LLNL omaksuu "kolmiosaisen lähestymistavan" yhdessä entisen LLNL-tutkijan Duncan Maitlandin kanssa - joka johtaa biolääketieteen suunnitteluryhmää Texas A&M:ssä ja myös yritystä, joka kehittää kokeellista muotomuistikelaa aneurysmien hoitoon - ja Amanda Randles, entinen laboratorion laskennallinen tutkija ja nykyinen Duke Universityn apulaisprofessori, joka kehitti HARVEY-nimisen koodin verenkierron simulointiin. Laitteen avulla Lab-tutkijat pystyivät validoimaan Randlesin virtausdynamiikkamallin ja varmistamaan tulokset, joita havaittaisiin todellisessa maailmassa. Alhaisilla virtausnopeuksilla tutkijat näkivät vain vähän veren liikkumista aneurysmaan, kun taas lisääntynyt virtausnopeus, esimerkiksi silloin, kun henkilö on kiihtynyt tai hermostunut, johti pyöreään verenvirtaukseen koko aneurysmassa, kuten todellisessa aneurysmassa olisi odotettavissa. aivojen aneurysma.
Yhdistämällä 3D-tulostetun alustan laskennallisiin malleihin, tutkijat sanoivat kehittäneensä potentiaalisen työkalun, jolla kirurgit voivat valita valmiiksi parhaat kelatyypit, joita tarvitaan aneurysman täydelliseen pakkaamiseen parhaan hoitotuloksen saavuttamiseksi, ja "koeajojen" suorittamiseen. ennen kuin yrität niitä ihmispotilaalla.
"Pohjimmiltaan kliinikko voisi kirjaimellisesti katsoa jonkun aivoskannausta, suorittaa sen mallinnusohjelmiston läpi ja ohjelmisto voisi näyttää nestedynamiikan ennen hoitoa", Hynes sanoi. "Sen pitäisi myös pystyä simuloimaan tätä hoitoa ja sallia lääkärin rajoittua tietyntyyppiseen kelaan tai pakkaustilavuuteen parhaan mahdollisen lopputuloksen varmistamiseksi."
Useimmat aneurysmien laskennalliset mallit validoidaan aiheuttamalla eläimille aneurysma ja suorittamalla niille leikkaus. Eläinmallit ovat epätäydellisiä, tutkijat selittivät, koska niistä on vaikea kerätä tietoja, ja niiden alusten geometriat eivät ole toistettavissa. Tutkijat käyttävät myös ei-biologisia laitteita, kuten 3D-painettuja silikoniputkia, joissa suonen geometriaa voidaan hallita, mutta tulokset eivät välttämättä heijasta ihmisen biologiaa.
Toisin kuin eläinmalleissa, LLNL:n alustan avulla tutkijat voivat mitata suoraan verisuonten ja aneurysman sisällä olevaa nestedynamiikkaa säilyttäen samalla biologisen merkityksen, mikä on paras kaikista maailmoista tietokonemallin validoinnissa, tutkijat sanoivat.
"Tämä on ihanteellinen alusta in silico -mallille, koska voimme tehdä nämä virtausmittaukset, joita olisi uskomattoman vaikea tehdä, jos tekisit tämän eläimellä", Moya sanoi. "Järjestä on, että tämä alusta jäljittelee verisuonten mukautumista ja aivokudoksen mekaanista jäykkyyttä. Se on myös riittävän kestävä kelaukseen. Näet suonen laajentuvan ja liikkuvan, mutta se pystyy kestämään toimenpiteen – aivan kuten tekisit in vivo. Tämä tekee siitä ihanteellisen käytettäväksi kirurgien koulutusalustana tai embolisaatiolaitteiden in vitro -testausjärjestelmänä.
Potilaskohtaisen hoidon ja kirurgisen koulutuksen testausalustana toimimisen lisäksi tutkijat sanoivat, että alustalla on potentiaalia parantaa perusbiologian ymmärtämistä ja leikkauksen jälkeistä paranemisreaktiota.
Vaikka varhaiset tulokset ovat lupaavia, tutkijat varoittivat, että on vielä pitkä matka, ennen kuin alustaa voidaan soveltaa kliinisessä ympäristössä. Ryhmän seuraava askel on yhdistää LLNL:n laskennallisen insinöörin ja paperin kirjoittajan Jason Ortegan kehittämä kaksiulotteinen veren hyytymismalli Randlesin 3D-nesteen dynamiikkamalliin simuloidakseen verihyytymien muodostumista vasteena kierukoille kolmessa ulottuvuudessa. He pyrkivät vertaamaan perinteisiä paljaita keloja Maitlandin kehittämiin kokeellisiin muotomuistipolymeerikääreihin, jotka on suunniteltu laajentumaan aneurysman sisällä parantamaan hyytymistä ja parantamaan potilaiden tuloksia.
Työ on rahoitettu Laboratorio-ohjatun tutkimuksen ja kehittämisen ohjelmasta. Yhteiskirjoittajiin kuuluivat Lindy Jang Texas A&M Universitystä, Javier Alvarado ja Elisa Wasson LLNL:stä, Marianna Pepona Duke Universitystä ja Landon Nash Shape Memory Medicalista.
(C) Duken yliopisto
Alkuperäinen artikkelin lähde: WRAL TechWire