Une percée cérébrale ? Les scientifiques de Duke aident à créer le premier anévrisme vivant et bio-imprimé en dehors du corps humain

DURHAM– Les anévrismes cérébraux touchent environ un Américain sur 50 et peuvent entraîner de graves urgences médicales, notamment des accidents vasculaires cérébraux, des lésions cérébrales et la mort s'ils éclatent. Les options de traitement existantes sont limitées et souvent invasives, et les résultats chirurgicaux peuvent varier considérablement d'une personne à l'autre.

Mais les médecins pourraient être en mesure d'améliorer les méthodes de traitement existantes et d'en développer de nouvelles personnalisées, grâce aux chercheurs de Laboratoire national Lawrence Livermore (LLNL) et leurs collaborateurs extérieurs. L'équipe, qui comprend des scientifiques de l'Université Duke et Texas A&M, est devenu le premier à produire un anévrisme vivant et bio-imprimé en dehors du corps humain, à effectuer une procédure médicale sur celui-ci et à l'observer réagir et guérir comme il le ferait dans un véritable cerveau humain.

Comme décrit dans le journal Biofabrication, une équipe LLNL dirigée par les ingénieurs William « Rick » Hynes et Monica Moya a pu reproduire un anévrisme in vitro en imprimant en 3D des vaisseaux sanguins avec des cellules cérébrales humaines. Hynes a effectué une procédure de réparation endovasculaire sur l'anévrisme imprimé – en insérant un cathéter dans le vaisseau sanguin et en emballant étroitement les bobines de platine à l'intérieur du sac anévrismal. Après le traitement d'emballage, les chercheurs ont introduit du plasma sanguin dans l'anévrisme et ont observé la formation d'un caillot sanguin à l'endroit où se trouvaient les spirales, le coupant du flux de fluide. Les chercheurs ont également pu observer le processus de guérison « postopératoire » des cellules endothéliales à l’intérieur des vaisseaux.

Les scientifiques du LLNL ont déclaré que la plate-forme, combinée à la modélisation informatique, représente une étape importante dans le développement de soins spécifiques aux patients pour les anévrismes, basés sur la géométrie des vaisseaux sanguins, la pression artérielle et d'autres facteurs d'un individu, et pourrait aider à surmonter l'un des plus grands obstacles du génie biomédical - le le temps qu'il faut pour que les nouvelles techniques et technologies chirurgicales passent du laboratoire à la clinique.

"Bien qu'il existe de nombreuses options thérapeutiques prometteuses, certaines ont encore un long chemin à parcourir", a déclaré Moya, chercheur principal du projet. « Les modèles animaux ne constituent pas nécessairement le meilleur moyen d'essayer ces options, car ils manquent d'observation directe des effets du traitement et présentent des géométries d'anévrismes incontrôlables. Disposer de cette plateforme robuste de tests in vitro sur des humains pourrait contribuer à faciliter la mise au point de nouveaux traitements. Si nous pouvons reproduire les anévrismes autant que nécessaire avec ces dispositifs, nous pourrions contribuer à accélérer l’arrivée de certains de ces produits en clinique et essentiellement à offrir aux patients de meilleures options de traitement.

Causés par un affaiblissement des parois artérielles, les anévrismes cérébraux se caractérisent par un « ballonnement » ou un gonflement d’un vaisseau sanguin dans le cerveau et peuvent être potentiellement mortels s’ils se rompent. Un traitement courant est le « clipping » chirurgical : il s’agit de fixer un clip métallique à la base de l’anévrisme pour rediriger le flux sanguin et l’empêcher d’éclater. La procédure est très invasive, obligeant les chirurgiens à ouvrir le crâne et à exposer le cerveau. Dans certains cas, par exemple lorsque l’anévrisme est situé dans des régions inaccessibles du cerveau, le traitement n’est même pas une option.

Un traitement plus courant et moins invasif est l'approche endovasculaire par enroulement métallique, dans laquelle un chirurgien alimente un mince cathéter métallique - inséré dans une artère de l'aine - à travers le corps et dans l'anévrisme, le remplissant de spirales ou de stents et le faisant caillot. L'endothélium tapissant le vaisseau sanguin se développe sur le bouchon coagulé, séparant l'anévrisme du reste du système vasculaire. L'inconvénient du « coiling » est que le succès dépend fortement de divers facteurs, notamment de la géométrie des vaisseaux sanguins du patient, qui diffère d'une personne à l'autre, ont expliqué les chercheurs.

Pour éliminer certaines incertitudes liées aux traitements des anévrismes, Hynes, le chercheur principal initial qui a proposé le projet, a réalisé que les chercheurs auraient besoin d'un moyen de valider des modèles 3D plus prédictifs prenant en compte la géométrie du patient. La bio-impression avec des cellules humaines, a déclaré Hynes, permet aux chercheurs de créer des modèles expérimentaux biologiquement pertinents d'interventions sur les anévrismes, identiques aux modèles informatiques, afin de les valider avec précision et facilité.

"Nous avons examiné le problème et pensé que si nous pouvions associer la modélisation informatique et les approches expérimentales, nous pourrions peut-être proposer une méthode plus déterministe de traitement des anévrismes ou de sélection des traitements qui pourraient mieux servir le patient", a déclaré Hynes, qui a dirigé le projet. pour sa première année. "Nous pouvons désormais commencer à construire le cadre d'un modèle personnalisé qu'un chirurgien pourrait utiliser pour déterminer la meilleure méthode de traitement d'un anévrisme."

Hynes a déclaré que LLNL adoptait une « approche à trois volets », en faisant équipe avec l'ancien scientifique du LLNL Duncan Maitland – qui dirige un groupe d'ingénierie biomédicale chez Texas A&M et dirige également une entreprise qui développe une bobine expérimentale à mémoire de forme pour traiter les anévrismes – et Amanda Randles, ancien informaticien du laboratoire et actuel professeur adjoint à l'Université Duke, qui a développé un code pour simuler le flux sanguin, appelé HARVEY. Grâce à l'appareil, les chercheurs du laboratoire ont pu valider le modèle de dynamique des flux de Randles, vérifiant ainsi les résultats qui seraient observés dans le monde réel. À faible débit, les chercheurs ont constaté peu de mouvement du sang dans l'anévrisme, alors qu'un débit accru, comme cela se produit lorsqu'une personne est agitée ou nerveuse, a entraîné un flux sanguin circulaire dans tout l'anévrisme, comme on pourrait s'y attendre dans un vrai anévrisme cérébral.

En combinant la plate-forme imprimée en 3D avec des modèles informatiques, les chercheurs ont déclaré avoir développé un outil potentiel permettant aux chirurgiens de présélectionner les meilleurs types de bobines nécessaires pour emballer complètement un anévrisme afin d'obtenir le meilleur résultat de traitement et d'effectuer des « tests ». des procédures avant de les tenter sur le patient humain.

"Essentiellement, un clinicien pourrait littéralement examiner le scanner cérébral d'une personne, l'exécuter via le logiciel de modélisation, et le logiciel pourrait montrer la dynamique des fluides avant le traitement", a déclaré Hynes. "Il devrait également être capable de simuler ce traitement et permettre au praticien de se limiter à un certain type de bobine ou de volume d'emballage pour garantir le meilleur résultat possible."

La plupart des modèles informatiques d'anévrismes sont validés en induisant des animaux présentant des anévrismes et en pratiquant une intervention chirurgicale sur eux. Les modèles animaux sont imparfaits, expliquent les chercheurs, car il est difficile de recueillir des données sur eux et la géométrie de leurs vaisseaux n'est pas reproductible. Les scientifiques utilisent également des dispositifs non biologiques, tels que des tubes en silicone imprimés en 3D, permettant de contrôler la géométrie des vaisseaux, mais les résultats peuvent ne pas refléter la biologie humaine.

Contrairement aux modèles animaux, la plateforme du LLNL permet aux scientifiques de mesurer directement la dynamique des fluides à l'intérieur des vaisseaux et des anévrismes tout en conservant la pertinence biologique, le meilleur des mondes pour valider un modèle informatique, ont indiqué les chercheurs.

"Il s'agit d'une plate-forme idéale pour un modèle in silico, car nous pouvons effectuer des mesures de débit qui seraient incroyablement difficiles à réaliser si vous le faisiez sur un animal", a déclaré Moya. « Ce qui est passionnant, c'est que cette plateforme imite la souplesse des vaisseaux sanguins et la rigidité mécanique du tissu cérébral. Il est également suffisamment robuste pour gérer une procédure d’enroulement. Vous voyez le vaisseau se distendre et bouger, mais il est capable de résister à la procédure, tout comme vous le feriez in vivo. Cela le rend idéal pour être utilisé comme plate-forme de formation pour les chirurgiens ou comme système de test in vitro pour les dispositifs d'embolisation.

En plus des soins spécifiques aux patients et du fait de servir de banc d'essai pour la formation chirurgicale, les chercheurs ont déclaré que la plate-forme avait le potentiel d'améliorer la compréhension de la biologie fondamentale et la réponse de guérison post-opératoire.

Bien que les premiers résultats soient prometteurs, les chercheurs ont averti qu'il reste encore beaucoup de chemin à parcourir avant que la plateforme ne soit appliquée dans l'environnement clinique. La prochaine étape de l'équipe consiste à combiner un modèle bidimensionnel de coagulation sanguine développé par l'ingénieur informatique du LLNL et co-auteur de l'article Jason Ortega avec le modèle de dynamique des fluides 3D de Randles, pour simuler la formation de caillots sanguins en réponse aux bobines en trois dimensions. Ils visent à comparer les bobines nues traditionnelles avec les bobines expérimentales en polymère à mémoire de forme développées par Maitland, conçues pour se dilater à l'intérieur de l'anévrisme afin de favoriser une meilleure coagulation et d'améliorer les résultats pour les patients.

Les travaux ont été financés par le programme de recherche et développement dirigé en laboratoire. Les co-auteurs comprenaient Lindy Jang de la Texas A&M University, Javier Alvarado et Elisa Wasson de LLNL, Marianna Pepona de Duke University et Landon Nash de Shape Memory Medical.

(C) Université Duke

Source originale de l’article : WRAL TechWire