Hersendoorbraak? Wetenschappers van Duke helpen bij het creëren van het eerste levende, biogeprinte aneurysma buiten het menselijk lichaam

DURHAM – Hersenaneurysma's treffen ongeveer één op de 50 Amerikanen en kunnen leiden tot ernstige medische noodgevallen, waaronder beroerte, hersenschade en overlijden als ze barsten. Bestaande behandelingsopties zijn beperkt en vaak invasief, en chirurgische uitkomsten kunnen sterk verschillen van persoon tot persoon.

Maar medische professionals kunnen bestaande behandelmethoden wellicht verbeteren en nieuwe, gepersonaliseerde methoden ontwikkelen, dankzij onderzoekers van Lawrence Livermore Nationaal Laboratorium (LLNL) en hun externe medewerkers. Het team, dat bestaat uit wetenschappers van Duke University en Texas A&Mis de eerste die een levend, gebioprint aneurysma buiten het menselijk lichaam heeft geproduceerd, er een medische procedure op heeft uitgevoerd en heeft waargenomen hoe het reageert en geneest zoals in een echt menselijk brein.

Zoals beschreven in het tijdschrift Biofabricatie, een LLNL-team onder leiding van ingenieurs William “Rick” Hynes en Monica Moya was in staat een aneurysma te repliceren in vitro door bloedvaten te 3D-printen met menselijke hersencellen. Hynes voerde een endovasculaire reparatieprocedure uit op het geprinte aneurysma: hij bracht een katheter in het bloedvat en verpakte platina spiralen stevig in de aneurysmazak. Na de verpakkingsbehandeling brachten de onderzoekers bloedplasma in het aneurysma en observeerden de vorming van een bloedstolsel op de plaats waar de spiralen zich bevonden, waardoor het werd afgesloten van de vloeistofstroom. De onderzoekers konden ook het 'postoperatieve' genezingsproces van de endotheelcellen in de vaten observeren.

Wetenschappers van LLNL zeiden dat het platform, in combinatie met computermodellen, een belangrijke stap vormt in de ontwikkeling van patiëntspecifieke zorg voor aneurysma's op basis van de geometrie van de bloedvaten, bloeddruk en andere factoren van een individu. Het zou ook kunnen helpen bij het overwinnen van een van de grootste obstakels in de biomedische technologie: de tijd die het kost om nieuwe chirurgische technieken en technologieën van het laboratorium naar de kliniek te krijgen.

"Hoewel er veel veelbelovende behandelingsopties zijn, hebben sommige nog een lange weg te gaan", aldus Moya, de hoofdonderzoeker van het project. "Diermodellen zijn niet per se de beste manier om deze opties uit te proberen, omdat ze geen directe observatie van behandelingseffecten hebben en oncontroleerbare aneurysma-geometrieën hebben. Het hebben van dit robuuste, menselijke in-vitrotestplatform zou kunnen helpen nieuwe behandelingen te faciliteren. Als we aneurysma's zo veel als nodig kunnen repliceren met deze apparaten, kunnen we helpen sommige van deze producten sneller in de kliniek te krijgen en patiënten in wezen betere behandelingsopties bieden."

Cerebrale aneurysma's worden veroorzaakt door een verzwakking van de slagaderwanden en worden gekenmerkt door een "ballooning" of uitpuiling van een bloedvat in de hersenen en kunnen potentieel dodelijk zijn als ze scheuren. Een veelvoorkomende behandeling is chirurgische "clipping" - het bevestigen van een metalen clip aan de basis van het aneurysma om de bloedstroom om te leiden en te voorkomen dat het barst. De procedure is zeer invasief en vereist dat chirurgen de schedel openen en de hersenen blootleggen. In sommige gevallen, zoals wanneer het aneurysma zich op ontoegankelijke plekken in de hersenen bevindt, is de behandeling zelfs geen optie.

Een meer gebruikelijke en minder invasieve behandeling is de endovasculaire metal coiling-benadering, waarbij een chirurg een dunne metalen katheter - ingebracht in een slagader in de lies - door het lichaam en in het aneurysma voert, het vult met coils of stents en zorgt ervoor dat het stolt. Het endotheel dat het bloedvat bekleedt, groeit over de gestolde plug heen, waardoor het aneurysma wordt afgeschermd van de rest van het vaatstelsel. Het nadeel van "coiling" is dat succes sterk afhankelijk is van verschillende factoren, waaronder de geometrie van de bloedvaten van de patiënt, die van persoon tot persoon verschilt, aldus onderzoekers.

Om wat giswerk uit aneurysmabehandelingen te halen, realiseerde Hynes, de oorspronkelijke hoofdonderzoeker die het project voorstelde, zich dat onderzoekers een manier nodig zouden hebben om meer voorspellende 3D-modellen te valideren die rekening houden met de geometrie van de patiënt. Bioprinting met menselijke cellen, zei Hynes, stelt onderzoekers in staat om biologisch relevante experimentele modellen van aneurysma-interventies te creëren die identiek zijn aan de computermodellen, om ze nauwkeurig en eenvoudig te valideren.

"We keken naar het probleem en dachten dat als we computationele modellering en experimentele benaderingen konden combineren, we misschien een meer deterministische methode konden bedenken om aneurysma's te behandelen of behandelingen konden selecteren die het beste bij de patiënt zouden passen," zei Hynes, die het project het eerste jaar leidde. "Nu kunnen we beginnen met het bouwen van het raamwerk van een gepersonaliseerd model dat een chirurg kan gebruiken om de beste methode voor de behandeling van een aneurysma te bepalen."

Hynes zei dat LLNL een “drievoudige aanpak” hanteert, door samen te werken met voormalig LLNL-wetenschapper Duncan Maitland – die leiding geeft aan een biomedische ingenieursgroep bij Texas A&M en ook aan het hoofd staat van een bedrijf dat een experimentele vormgeheugenspoel ontwikkelt voor de behandeling van aneurysma’s – en Amanda Randles, een voormalige Lab-computational scientist en huidige assistent-professor aan Duke University die een code ontwikkelde voor het simuleren van bloedstroom, genaamd HARVEY. Met behulp van het apparaat konden Lab-onderzoekers Randles' model voor stromingsdynamiek valideren en resultaten verifiëren die in de echte wereld zouden worden waargenomen. Bij lage stroomsnelheden zagen onderzoekers weinig bloedbeweging in het aneurysma, terwijl een verhoogde stroomsnelheid, zoals optreedt wanneer iemand geagiteerd of nerveus is, resulteerde in een circulaire bloedstroom door het aneurysma, zoals verwacht zou worden bij een echt hersenaneurysma.

Door het combineren van het 3D-geprinte platform met computermodellen, zeggen onderzoekers dat ze een potentieel hulpmiddel hebben ontwikkeld waarmee chirurgen vooraf de beste spoeltypen kunnen selecteren die nodig zijn om een aneurysma volledig te vullen om het beste behandelingsresultaat te bereiken, en om 'testruns' van procedures uit te voeren voordat ze deze op de menselijke patiënt uitvoeren.

"In essentie zou een clinicus letterlijk naar iemands hersenscan kunnen kijken, deze door de modelleringssoftware kunnen halen en de software zou de vloeistofdynamica vóór de behandeling kunnen weergeven," aldus Hynes. "Het zou ook die behandeling moeten kunnen simuleren en de behandelaar in staat moeten stellen om zich te beperken tot een bepaald type spoel of verpakkingsvolume om de best mogelijke uitkomst te garanderen."

De meeste computationele modellen van aneurysma's worden gevalideerd door dieren met aneurysma's te induceren en er een operatie op uit te voeren. Diermodellen zijn imperfect, zo legden onderzoekers uit, omdat het moeilijk is om er gegevens over te verzamelen en hun vaatgeometrieën niet reproduceerbaar zijn. Wetenschappers gebruiken ook niet-biologische apparaten, zoals 3D-geprinte siliconenbuizen, waarbij de vaatgeometrie kan worden gecontroleerd, maar de resultaten weerspiegelen mogelijk niet de menselijke biologie.

In tegenstelling tot diermodellen stelt het platform van LLNL wetenschappers in staat om de vloeistofdynamiek in de bloedvaten en het aneurysma rechtstreeks te meten, terwijl de biologische relevantie behouden blijft. Dit is volgens de onderzoekers de beste manier om een computermodel te valideren.

"Dit is een ideaal platform voor een in silico-model, omdat we deze flowmetingen kunnen uitvoeren die ongelooflijk moeilijk zouden zijn als je dit bij een dier zou doen", aldus Moya. "Wat spannend is, is dat dit platform de compliantie van bloedvaten en de mechanische stijfheid van hersenweefsel nabootst. Het is ook robuust genoeg om een coiling-procedure aan te kunnen. Je ziet het vat uitzetten en bewegen, maar het is in staat om de procedure te doorstaan, net zoals je dat in vivo zou doen. Dit maakt het ideaal om te gebruiken als trainingsplatform voor chirurgen of als in-vitrotestsysteem voor embolisatieapparaten."

Volgens de onderzoekers biedt het platform niet alleen patiëntspecifieke zorg en kan het dienen als proeftuin voor chirurgische opleidingen, maar kan het ook het inzicht in de basisbiologie en de genezingsreactie na een operatie verbeteren.

Hoewel de eerste resultaten veelbelovend zijn, waarschuwden de onderzoekers dat er nog een lange weg te gaan is voordat het platform in de klinische omgeving kan worden toegepast. De volgende stap van het team is om een tweedimensionaal bloedstollingsmodel, ontwikkeld door LLNL computational engineer en medeauteur van het artikel Jason Ortega, te combineren met Randles' 3D-vloeistofdynamicamodel, om te simuleren hoe bloedstolsels zich vormen als reactie op de spiralen in drie dimensies. Ze willen de traditionele kale spiralen vergelijken met de experimentele vormgeheugenpolymeerspiralen die zijn ontwikkeld door Maitland en die zijn ontworpen om uit te zetten in het aneurysma om betere stolling te bevorderen en de patiëntresultaten te verbeteren.

Het werk werd gefinancierd door het Laboratory Directed Research and Development-programma. Medeauteurs waren Lindy Jang van Texas A&M University, Javier Alvarado en Elisa Wasson van LLNL, Marianna Pepona van Duke University en Landon Nash van Shape Memory Medical.

(C) Duke Universiteit

Originele artikelbron: WRAL TechWire