Una svolta nel cervello? Gli scienziati della Duke contribuiscono a creare il primo aneurisma vivente e biostampato al di fuori del corpo umano

DURHAM – Gli aneurismi cerebrali colpiscono circa uno su 50 americani e possono portare a gravi emergenze mediche, tra cui ictus, danni cerebrali e morte in caso di rottura. Le opzioni di trattamento esistenti sono limitate e spesso invasive e i risultati chirurgici possono variare notevolmente da persona a persona.

Ma i medici potrebbero essere in grado di migliorare i metodi di trattamento esistenti e svilupparne di nuovi e personalizzati, grazie ai ricercatori di Laboratorio nazionale Lawrence Livemore (LLNL) e i loro collaboratori esterni. Il team, che comprende scienziati della Duke University e Università del Texas, è stato il primo a produrre un aneurisma vivente e biostampato al di fuori del corpo umano, a sottoporlo a una procedura medica e a osservarne la risposta e la guarigione come farebbe in un vero cervello umano.

Come descritto nella rivista Biofabbricazione, un team LLNL guidato dagli ingegneri William “Rick” Hynes e Monica Moya è riuscito a replicare un aneurisma in vitro stampando in 3D vasi sanguigni con cellule cerebrali umane. Hynes ha eseguito una procedura di riparazione endovascolare sull'aneurisma stampato, inserendo un catetere nel vaso sanguigno e impacchettando strettamente spirali di platino all'interno del sacco dell'aneurisma. Dopo il trattamento di impacchettamento, i ricercatori hanno introdotto plasma sanguigno nell'aneurisma e hanno osservato la formazione di un coagulo di sangue dove si trovavano le spirali, tagliandolo fuori dal flusso del fluido. I ricercatori sono stati anche in grado di osservare il processo di guarigione "post-operatorio" delle cellule endoteliali all'interno dei vasi.

Gli scienziati del LLNL hanno affermato che la piattaforma, se abbinata alla modellazione computerizzata, rappresenta un passo significativo verso lo sviluppo di cure specifiche per i pazienti con aneurismi, basate sulla geometria dei vasi sanguigni, sulla pressione sanguigna e su altri fattori, e potrebbe aiutare a superare uno dei maggiori ostacoli dell'ingegneria biomedica: il tempo necessario affinché le nuove tecniche e tecnologie chirurgiche passino dal laboratorio alla clinica.

"Sebbene ci siano molte promettenti opzioni di trattamento, alcune hanno ancora molta strada da fare", ha affermato Moya, il ricercatore principale del progetto. "I modelli animali non sono necessariamente il modo migliore per provare queste opzioni, poiché non consentono l'osservazione diretta degli effetti del trattamento e hanno geometrie di aneurismi incontrollabili. Avere questa solida piattaforma di test in vitro sull'uomo potrebbe aiutare a facilitare nuovi trattamenti. Se riuscissimo a replicare gli aneurismi quanto necessario con questi dispositivi, potremmo aiutare ad accelerare alcuni di questi prodotti nella clinica e sostanzialmente fornire ai pazienti migliori opzioni di trattamento".

Causati da un indebolimento delle pareti arteriose, gli aneurismi cerebrali sono caratterizzati da un "gonfiamento" o rigonfiamento di un vaso sanguigno nel cervello e possono essere potenzialmente fatali se si rompono. Un trattamento comune è il "clipping" chirurgico, ovvero l'applicazione di una clip metallica alla base dell'aneurisma per reindirizzare il flusso sanguigno e impedirne la rottura. La procedura è altamente invasiva e richiede ai chirurghi di aprire il cranio ed esporre il cervello. In alcuni casi, come quando l'aneurisma si trova in regioni inaccessibili all'interno del cervello, il trattamento non è nemmeno un'opzione.

Un trattamento più comune e meno invasivo è l'approccio endovascolare con spirali metalliche, in cui un chirurgo inserisce un sottile catetere metallico, inserito in un'arteria nell'inguine, attraverso il corpo e nell'aneurisma, riempiendolo di spirali o stent e facendolo coagulare. L'endotelio che riveste il vaso sanguigno cresce sopra il tappo coagulato, isolando l'aneurisma dal resto della vascolatura. L'aspetto negativo del "coiling" è che il successo dipende in larga misura da una serie di fattori, tra cui la geometria dei vasi sanguigni del paziente, che differiscono da una persona all'altra, hanno affermato i ricercatori.

Per eliminare un po' di congetture dai trattamenti degli aneurismi, Hynes, il ricercatore principale originale che ha proposto il progetto, si è reso conto che i ricercatori avrebbero avuto bisogno di un modo per convalidare modelli 3D più predittivi che tengano conto della geometria del paziente. La biostampa con cellule umane, ha affermato Hynes, consente ai ricercatori di creare modelli sperimentali biologicamente rilevanti di interventi sugli aneurismi che sono identici ai modelli computerizzati, al fine di convalidarli in modo accurato e semplice.

"Abbiamo esaminato il problema e pensato che se fossimo riusciti ad abbinare modelli computazionali e approcci sperimentali, forse avremmo potuto elaborare un metodo più deterministico per trattare gli aneurismi o selezionare i trattamenti che avrebbero potuto servire al meglio il paziente", ha affermato Hynes, che ha guidato il progetto per il suo primo anno. "Ora possiamo iniziare a costruire la struttura di un modello personalizzato che un chirurgo potrebbe utilizzare per determinare il metodo migliore per trattare un aneurisma".

Hynes ha affermato che LLNL sta adottando un "approccio a tre punte", collaborando con l'ex scienziato LLNL Duncan Maitland, che dirige un gruppo di ingegneria biomedica presso la Texas A&M e dirige anche un'azienda che sviluppa una bobina sperimentale a memoria di forma per il trattamento degli aneurismi, e Amanda Randles, un ex scienziato computazionale del Lab e attuale professore associato della Duke University che ha sviluppato un codice per simulare il flusso sanguigno, chiamato HARVEY. Utilizzando il dispositivo, i ricercatori del Lab sono stati in grado di convalidare il modello di dinamica del flusso di Randles, verificando i risultati che sarebbero stati osservati nel mondo reale. A basse velocità di flusso, i ricercatori hanno visto poco movimento di sangue nell'aneurisma, mentre una velocità di flusso aumentata, come si verifica quando una persona è agitata o nervosa, ha determinato un flusso circolare di sangue attraverso l'aneurisma, come ci si aspetterebbe in un vero aneurisma cerebrale.

Combinando la piattaforma stampata in 3D con modelli computazionali, i ricercatori hanno affermato di aver sviluppato un potenziale strumento che consente ai chirurghi di preselezionare i migliori tipi di bobine necessari per riempire completamente un aneurisma e ottenere il miglior risultato terapeutico, ed eseguire "prove" di procedure prima di provarle sul paziente umano.

"In sostanza, un medico potrebbe letteralmente guardare la scansione cerebrale di qualcuno, eseguirla tramite il software di modellazione e il software potrebbe mostrare la dinamica dei fluidi prima del trattamento", ha affermato Hynes. "Dovrebbe anche essere in grado di simulare tale trattamento e consentire al medico di restringere il campo a un certo tipo di bobina o volume di impaccamento per garantire il miglior risultato possibile".

La maggior parte dei modelli computazionali di aneurismi vengono convalidati inducendo animali con aneurismi ed eseguendo interventi chirurgici su di essi. I modelli animali sono imperfetti, hanno spiegato i ricercatori, perché è difficile raccogliere dati su di essi e le loro geometrie vascolari non sono riproducibili. Gli scienziati utilizzano anche dispositivi non biologici, come tubi di silicone stampati in 3D, in cui la geometria dei vasi può essere controllata, ma i risultati potrebbero non riflettere la biologia umana.

A differenza dei modelli animali, la piattaforma dell'LLNL consente agli scienziati di misurare direttamente la dinamica dei fluidi all'interno dei vasi e degli aneurismi, mantenendo al contempo la rilevanza biologica, il migliore dei mondi possibili per convalidare un modello computerizzato, hanno affermato i ricercatori.

"Questa è una piattaforma ideale per un modello in silico perché possiamo effettuare queste misurazioni del flusso che sarebbero incredibilmente difficili da effettuare se si facesse su un animale", ha affermato Moya. "Ciò che è entusiasmante è che questa piattaforma imita la compliance dei vasi sanguigni e la rigidità meccanica del tessuto cerebrale. È anche abbastanza robusta da gestire una procedura di avvolgimento. Si vede il vaso distendersi e muoversi, ma è in grado di resistere alla procedura, proprio come si farebbe in vivo. Ciò lo rende ideale per essere utilizzato come piattaforma di formazione per i chirurghi o come sistema di test in vitro per dispositivi di embolizzazione".

Oltre a fornire cure specifiche per ogni paziente e a fungere da banco di prova per la formazione chirurgica, i ricercatori hanno affermato che la piattaforma ha il potenziale per migliorare la comprensione della biologia di base e della risposta di guarigione post-operatoria.

Sebbene i primi risultati siano promettenti, i ricercatori hanno avvertito che c'è ancora molta strada da fare prima che la piattaforma trovi applicazione nell'ambiente clinico. Il prossimo passo del team è combinare un modello di coagulazione del sangue bidimensionale sviluppato dall'ingegnere computazionale LLNL e coautore del documento Jason Ortega con il modello di dinamica dei fluidi 3D di Randles, per simulare come si formano i coaguli di sangue in risposta alle bobine in tre dimensioni. Il loro obiettivo è confrontare le tradizionali bobine nude con le bobine sperimentali in polimero a memoria di forma sviluppate da Maitland, progettate per espandersi all'interno dell'aneurisma per promuovere una migliore coagulazione e migliorare i risultati per i pazienti.

Il lavoro è stato finanziato dal programma Laboratory Directed Research and Development. Tra i coautori figurano Lindy Jang della Texas A&M University, Javier Alvarado ed Elisa Wasson del LLNL, Marianna Pepona della Duke University e Landon Nash della Shape Memory Medical.

(C) Università Duke

Fonte articolo originale: WRAL TechWire