פריצת דרך מוחית? מדענים של דוכס עוזרים ליצור מפרצת חיה ראשונה עם הדפסה ביולוגית מחוץ לגוף האדם

DURHAM – מפרצת מוחית משפיעה על אחד מכל 50 אמריקאים ועלולות להוביל למצבי חירום רפואיים חמורים, כולל שבץ מוחי, נזק מוחי ומוות אם הם מתפוצצים. אפשרויות הטיפול הקיימות מוגבלות ולעתים קרובות פולשניות, ותוצאות הניתוח יכולות להשתנות מאוד מאדם לאדם.

אבל רופאים עשויים להיות מסוגלים לשפר שיטות טיפול קיימות ולפתח שיטות חדשות מותאמות אישית, הודות לחוקרים ב- לורנס ליברמור המעבדה הלאומית (LLNL) ומשתפי הפעולה החיצוניים שלהם. הצוות, הכולל מדענים מאוניברסיטת דיוק ו טקסס A&M, הפך לראשון שיצר מפרצת חיה, מודפסת ביולוגית מחוץ לגוף האדם, מבצע עליה פרוצדורה רפואית ומתבונן בה מגיבה ומתרפא כפי שהיה במוח אנושי ממשי.

כפי שתואר ביומן ייצור ביולוגי, צוות LLNL בראשות המהנדסים וויליאם "ריק" היינס ומוניקה מויה הצליחו לשחזר מפרצת בַּמַבחֵנָה על ידי הדפסת תלת מימד של כלי דם עם תאי מוח אנושיים. Hynes ביצע הליך תיקון אנדווסקולרי במפרצת המודפסת - החדרת צנתר לכלי הדם ואריזה הדוקה של סלילי פלטינה בתוך שק המפרצת. לאחר טיפול האריזה, החוקרים הכניסו פלזמה דם למפרצת וצפו בהיווצרות קריש דם במקום שבו אותרו הסלילים, וניתק אותו מזרימת הנוזלים. החוקרים גם הצליחו לצפות בתהליך הריפוי "פוסט-אופ" של תאי האנדותל בתוך הכלים.

מדעני LLNL אמרו כי הפלטפורמה, בשילוב עם מודלים ממוחשבים, מייצגת צעד משמעותי לפיתוח טיפול ספציפי למטופל במפרצת המבוססת על גיאומטריית כלי הדם של האדם, לחץ הדם וגורמים אחרים, ויכולה לעזור להתגבר על אחד המכשולים הגדולים ביותר של ההנדסה הביו-רפואית - הזמן שלוקח לטכניקות וטכנולוגיות כירורגיות חדשות לזנק מהמעבדה למרפאה.

"למרות שיש הרבה אפשרויות טיפול מבטיחות, לחלקן יש עוד דרך ארוכה לעבור", אמר מויה, החוקר הראשי של הפרויקט. "מודלים של בעלי חיים הם לא בהכרח הדרך הטובה ביותר לנסות את האפשרויות הללו, מכיוון שאין להם צפייה ישירה בהשפעות הטיפול ויש להם גיאומטריות מפרצת בלתי נשלטות. פלטפורמת בדיקות חוץ גופית חזקה ואנושית זו יכולה לעזור להקל על טיפולים חדשים. אם נוכל לשכפל מפרצות ככל שנדרש עם המכשירים האלה, אולי נוכל לעזור להאיץ חלק מהמוצרים האלה למרפאה ובעצם לספק למטופלים אפשרויות טיפול טובות יותר".

הנגרמת מהיחלשות בדפנות העורקים, מפרצת מוחית מאופיינת ב"בלון" או בליטה של כלי דם במוח ועלולות להיות קטלניות אם הן נקרעות. טיפול נפוץ אחד הוא "גזירה" כירורגית - הצמדת אטב מתכת לבסיס המפרצת כדי להפנות את זרימת הדם משם ולמנוע ממנו להתפוצץ. ההליך פולשני מאוד, המחייב מנתחים לפתוח את הגולגולת ולחשוף את המוח. במקרים מסוימים, כמו למשל כאשר המפרצת ממוקמת באזורים בלתי נגישים במוח, הטיפול אפילו אינו אופציה.

טיפול נפוץ יותר ופחות פולשני הוא גישת סלילת מתכת אנדווסקולרית, שבה מנתח מאכיל צנתר מתכתי דק - המוחדר לעורק במפשעה - במעלה הגוף ואל המפרצת, אורז אותו בסלילים או סטנטים וגורם לו קְרִישׁ דָם. האנדותל המרפד את כלי הדם גדל מעל הפקק הקרוש, ומרחיק את המפרצת משאר כלי הדם. החיסרון של "התפתלות" הוא שההצלחה תלויה מאוד במגוון גורמים, כולל הגיאומטריה של כלי הדם של המטופל, השונות מאדם לאדם, אמרו החוקרים.

כדי להוציא חלק מהניחושים מטיפולי מפרצת, היינס, החוקר הראשי המקורי שהציע את הפרויקט, הבין שחוקרים יצטרכו דרך לאמת מודלים תלת-ממדיים חזויים יותר הלוקחים בחשבון את גיאומטריית המטופל. הדפסה ביולוגית עם תאים אנושיים, אמר היינס, מאפשרת לחוקרים ליצור מודלים ניסיוניים רלוונטיים מבחינה ביולוגית של התערבויות מפרצת זהות למודלים הממוחשבים, על מנת לאמת אותם בצורה מדויקת וקלה.

"בדקנו את הבעיה וחשבנו שאם נוכל לשלב מודלים חישוביים וגישות ניסויות, אולי נוכל להמציא שיטה דטרמיניסטית יותר לטיפול במפרצת או לבחור טיפולים שיוכלו לשרת את המטופל בצורה הטובה ביותר", אמר היינס, שהוביל את הפרויקט לשנתו הראשונה. "עכשיו אנחנו יכולים להתחיל לבנות את המסגרת של מודל מותאם אישית שרופא כירורגי יכול להשתמש בו כדי לקבוע את השיטה הטובה ביותר לטיפול במפרצת."

היינס אמר ש-LLNL נוקטת ב"גישה משולשת", בשיתוף עם מדען LLNL לשעבר, דאנקן מייטלנד - שעומד בראש קבוצת הנדסה ביו-רפואית ב-Texas A&M וגם עומד בראש חברה המפתחת סליל זיכרון צורות ניסיוני לטיפול במפרצת - וכן אמנדה רנדלס, מדען חישובי לשעבר במעבדה ועוזר פרופסור באוניברסיטת דיוק בהווה שפיתח קוד להדמיית זרימת דם, בשם HARVEY. באמצעות המכשיר, חוקרי המעבדה הצליחו לאמת את מודל דינמיקת הזרימה של רנדל, תוך אימות תוצאות שייצפו בעולם האמיתי. בקצבי זרימה נמוכים, החוקרים ראו תנועה מועטה של דם לתוך המפרצת, בעוד שקצב זרימה מוגבר, כמו שמתרחש כאשר אדם נסער או עצבני, הביא לזרימה מעגלית של דם לאורך המפרצת, כפי שניתן היה לצפות במפרצת אמיתית. מפרצת במוח.

על ידי שילוב הפלטפורמה המודפסת בתלת מימד עם מודלים חישוביים, החוקרים אמרו שהם פיתחו כלי פוטנציאלי למנתחים לבחור מראש את סוגי הסלילים הטובים ביותר הדרושים לארוז מלא של מפרצת כדי להביא לתוצאות הטיפול הטובות ביותר, ולבצע "ריצות מבחן" של הליכים לפני שניסיתם אותם על המטופל האנושי.

"בעיקרו, קלינאי יכול ממש להסתכל על סריקת המוח של מישהו, להריץ אותה דרך תוכנת הדוגמנות, והתוכנה יכולה להראות את דינמיקת הנוזלים לפני הטיפול", אמר היינס. "זה גם אמור להיות מסוגל לדמות את הטיפול הזה ולאפשר למתרגל לצמצם לסוג מסוים של סליל או נפח אריזה כדי להבטיח את התוצאה הטובה ביותר."

רוב המודלים החישוביים של מפרצת מאומתים על ידי השראת בעלי חיים עם מפרצת וביצוע ניתוחים בהם. מודלים של בעלי חיים אינם מושלמים, הסבירו חוקרים, מכיוון שקשה לאסוף עליהם נתונים, והגיאומטריות של כלי השיט שלהם לא ניתנות לשחזור. מדענים משתמשים גם במכשירים לא ביולוגיים, כמו צינורות סיליקון מודפסים בתלת מימד, שבהם ניתן לשלוט בגיאומטריה של כלי השיט, אך ייתכן שהתוצאות לא משקפות את הביולוגיה האנושית.

בניגוד למודלים של בעלי חיים, הפלטפורמה של LLNL מאפשרת למדענים למדוד ישירות את דינמיקת הנוזלים בתוך כלי הדם והמפרצת תוך שמירה על רלוונטיות ביולוגית, הטוב מכל העולמות לאימות מודל ממוחשב, אמרו החוקרים.

"זוהי פלטפורמה אידיאלית עבור מודל בסיליקו מכיוון שאנו יכולים לבצע מדידות זרימה אלו אשר יהיה קשה להפליא לבצע אם היית עושה זאת בבעל חיים," אמר מויה. "מה שמרגש הוא שהפלטפורמה הזו מחקה את תאימות כלי הדם ואת הנוקשות המכנית של רקמת המוח. זה גם חזק מספיק כדי להתמודד עם הליך סלילים. אתה רואה את הכלי מתרחק וזז, אבל הוא מסוגל לעמוד בהליך - ממש כמו שהיית עושה in vivo. זה הופך אותו לאידיאלי לשמש כפלטפורמת אימון למנתחים או כמערכת בדיקות חוץ גופית למכשירי אמבוליזציה".

בנוסף לטיפול הספציפי למטופל ומשמש כמצע מבחן להכשרה כירורגית, החוקרים אמרו שלפלטפורמה יש פוטנציאל לשיפור ההבנה של הביולוגיה הבסיסית והתגובה לריפוי לאחר הניתוח.

למרות שהתוצאות המוקדמות מבטיחות, החוקרים הזהירו שיש עוד דרך ארוכה לפני שהפלטפורמה תראה יישום בסביבה הקלינית. הצעד הבא של הצוות הוא שילוב מודל קרישת דם דו מימדי שפותח על ידי מהנדס חישובי LLNL ומחבר הנייר ג'ייסון אורטגה עם מודל דינמיקת הנוזלים התלת מימדית של רנדלס, כדי לדמות כיצד נוצרים קרישי דם בתגובה לסלילים בתלת מימד. הם שואפים להשוות את הסלילים החשופים המסורתיים עם סלילי הפולימר זיכרון הצורה הניסיוני שפותחו על ידי Maitland שנועדו להתרחב בתוך המפרצת כדי לקדם קרישה טובה יותר ולשפר את תוצאות המטופל.

העבודה מומנה על ידי תוכנית מחקר ופיתוח מכוון מעבדה. מחברים שותפים כללו את לינדי ג'אנג מאוניברסיטת טקסס A&M, חוויאר אלווארדו ואליסה וואסון מ-LLNL, מריאנה פפונה מאוניברסיטת דיוק ולנדון נאש מ-Shape Memory Medical.

(ג) אוניברסיטת דיוק

מקור המאמר המקורי: WRAL TechWire