Przełom w mózgu? Naukowcy z Duke pomagają stworzyć pierwszy żywy tętniak wykonany metodą biodruku poza ludzkim ciałem

DUHAM – Tętniaki mózgu dotykają około jednego na 50 Amerykanów i mogą prowadzić do poważnych nagłych przypadków medycznych, w tym udaru, uszkodzenia mózgu i śmierci w przypadku pęknięcia. Istniejące możliwości leczenia są ograniczone i często inwazyjne, a wyniki leczenia chirurgicznego mogą się znacznie różnić w zależności od osoby.

Jednak dzięki badaczom z instytutu medycznego lekarze mogą ulepszyć istniejące metody leczenia i opracować nowe, spersonalizowane Laboratorium Narodowe Lawrence Livermore (LLNL) i ich współpracownicy zewnętrzni. Zespół, w skład którego wchodzą naukowcy z Duke University i Teksas A&M, jako pierwsza wytworzyła żywy, biodrukowany tętniak poza ludzkim ciałem, przeprowadziła na nim procedurę medyczną i obserwowała, jak reaguje i goi się tak, jak w prawdziwym ludzkim mózgu.

Jak opisano w czasopiśmie Biofabrykacja, zespół LLNL kierowany przez inżynierów Williama „Ricka” Hynesa i Monikę Moya był w stanie odtworzyć tętniaka in vitro poprzez drukowanie 3D naczyń krwionośnych z ludzkich komórek mózgowych. Hynes przeprowadził wewnątrznaczyniową procedurę naprawczą wydrukowanego tętniaka, wprowadzając cewnik do naczynia krwionośnego i szczelnie upakując platynowe cewki wewnątrz worka tętniaka. Po zabiegu pakowania naukowcy wprowadzili osocze krwi do tętniaka i zaobserwowali tworzenie się skrzepu krwi w miejscu umiejscowienia cewek, odcinając go od przepływu płynu. Naukowcy byli także w stanie obserwować „pooperacyjny” proces gojenia komórek śródbłonka w naczyniach.

Naukowcy z LLNL stwierdzili, że platforma w połączeniu z modelowaniem komputerowym stanowi znaczący krok w opracowaniu opieki nad tętniakami dostosowanej do indywidualnych potrzeb pacjenta, w oparciu o geometrię naczyń krwionośnych danego pacjenta, ciśnienie krwi i inne czynniki, a także może pomóc pokonać jedną z największych przeszkód inżynierii biomedycznej — czas potrzebny, aby nowe techniki i technologie chirurgiczne przeniosły się z laboratorium do kliniki.

„Chociaż istnieje wiele obiecujących opcji leczenia, przed niektórymi z nich jeszcze długa droga” – stwierdziła Moya, główna badaczka projektu. „Modele zwierzęce niekoniecznie są najlepszym sposobem wypróbowania tych opcji, ponieważ brakuje w nich bezpośredniej obserwacji efektów leczenia i mają niekontrolowaną geometrię tętniaka. Posiadanie tej solidnej platformy do testów in vitro na ludziach mogłoby ułatwić wprowadzenie nowych metod leczenia. Jeśli za pomocą tych urządzeń uda nam się odtworzyć tętniaki w takim zakresie, w jakim jest to konieczne, możemy pomóc w przyspieszeniu wprowadzenia niektórych z tych produktów do klinik i zasadniczo zapewnić pacjentom lepsze możliwości leczenia”.

Spowodowane osłabieniem ścian tętnic, tętniaki mózgu charakteryzują się „balonowaniem” lub wybrzuszeniem naczynia krwionośnego w mózgu, a ich pęknięcie może być potencjalnie śmiertelne. Jednym z powszechnych sposobów leczenia jest chirurgiczne „przycięcie” — przymocowanie metalowego klipsa do podstawy tętniaka w celu przekierowania przepływu krwi i zapobieżenia jego pęknięciu. Procedura jest bardzo inwazyjna i wymaga od chirurga otwarcia czaszki i odsłonięcia mózgu. W niektórych przypadkach, na przykład gdy tętniak znajduje się w niedostępnych obszarach mózgu, leczenie nie wchodzi w ogóle w grę.

Bardziej powszechną i mniej inwazyjną metodą leczenia jest metoda wewnątrznaczyniowego zwijania metalu, podczas której chirurg wprowadza cienki metalowy cewnik – wprowadzony do tętnicy w pachwinie – przez ciało i do tętniaka, wypełniając go cewkami lub stentami i powodując jego krzepnąć. Śródbłonek wyściełający naczynie krwionośne rośnie nad zakrzepłym czopem, odgradzając tętniaka od reszty układu naczyniowego. Wadą „zwijania” jest to, że powodzenie w dużym stopniu zależy od wielu różnych czynników, w tym od geometrii naczyń krwionośnych pacjenta, która różni się w zależności od osoby – twierdzą naukowcy.

Aby wyeliminować domysły dotyczące leczenia tętniaka, Hynes, główny badacz, który zaproponował projekt, zdał sobie sprawę, że badacze będą potrzebować sposobu na walidację bardziej predykcyjnych modeli 3D, które uwzględniają geometrię pacjenta. Hynes powiedział, że biodrukowanie komórkami ludzkimi umożliwia badaczom tworzenie biologicznie istotnych modeli eksperymentalnych interwencji w przypadku tętniaka, identycznych z modelami komputerowymi, w celu ich dokładnej i łatwej walidacji.

„Przyjrzeliśmy się problemowi i pomyśleliśmy, że gdybyśmy mogli połączyć modelowanie obliczeniowe i podejścia eksperymentalne, być może moglibyśmy opracować bardziej deterministyczną metodę leczenia tętniaków lub wybrać metody leczenia, które najlepiej służą pacjentowi” – powiedział Hynes, który kierował projektem na pierwszy rok. „Teraz możemy zacząć budować ramy spersonalizowanego modelu, który chirurg mógłby wykorzystać do określenia najlepszej metody leczenia tętniaka”.

Hynes powiedział, że LLNL przyjmuje „trójstronne podejście” – współpracując z byłym naukowcem LLNL Duncanem Maitlandem – który kieruje grupą inżynierii biomedycznej w Texas A&M, a także kieruje firmą opracowującą eksperymentalną cewkę z pamięcią kształtu do leczenia tętniaków – oraz Amandę Randles, były naukowiec zajmujący się obliczeniami w laboratorium i obecny adiunkt na Uniwersytecie Duke, który opracował kod do symulacji przepływu krwi o nazwie HARVEY. Korzystając z urządzenia, badacze z laboratorium byli w stanie zweryfikować model dynamiki przepływu Randlesa, weryfikując wyniki, które można by zaobserwować w świecie rzeczywistym. Przy niskim natężeniu przepływu badacze zaobserwowali niewielki przepływ krwi do tętniaka, podczas gdy zwiększone natężenie przepływu, jakie ma miejsce, gdy dana osoba jest pobudzona lub zdenerwowana, skutkowało kołowym przepływem krwi przez tętniak, czego można by się spodziewać w prawdziwym Tętniak mózgu.

Łącząc platformę wydrukowaną w 3D z modelami obliczeniowymi, badacze twierdzą, że opracowali potencjalne narzędzie dla chirurgów, umożliwiające wstępny wybór najlepszych typów cewek potrzebnych do pełnego uszczelnienia tętniaka w celu uzyskania najlepszego wyniku leczenia, a także przeprowadzanie „biegów testowych”. procedur przed ich zastosowaniem na pacjencie będącym człowiekiem.

„Zasadniczo lekarz mógłby dosłownie przyjrzeć się skanowi mózgu danej osoby, poddać go oprogramowaniu do modelowania, a oprogramowanie mogłoby pokazać dynamikę płynów przed leczeniem” – powiedział Hynes. „Powinno także być w stanie symulować to leczenie i umożliwiać lekarzowi zawężenie zakresu do określonego rodzaju zwoju lub objętości opakowania, aby zapewnić najlepszy możliwy wynik”.

Większość modeli obliczeniowych tętniaków sprawdza się poprzez wywoływanie tętniaków u zwierząt i przeprowadzanie na nich operacji. Naukowcy wyjaśnili, że modele zwierzęce są niedoskonałe, ponieważ trudno jest zebrać na ich temat dane, a geometrii ich naczyń nie da się odtworzyć. Naukowcy korzystają również z urządzeń niebiologicznych, takich jak rurki silikonowe drukowane w 3D, w przypadku których można kontrolować geometrię naczyń, ale wyniki mogą nie odzwierciedlać biologii człowieka.

W odróżnieniu od modeli zwierzęcych platforma LLNL umożliwia naukowcom bezpośredni pomiar dynamiki płynów wewnątrz naczyń i tętniaka, przy jednoczesnym zachowaniu znaczenia biologicznego, co jest najlepszym sposobem na walidację modelu komputerowego – twierdzą naukowcy.

„To idealna platforma dla modelu in silico, ponieważ możemy wykonać pomiary przepływu, które byłyby niezwykle trudne do wykonania na zwierzętach” – powiedziała Moya. „Ekscytujące jest to, że ta platforma naśladuje podatność naczyń krwionośnych i mechaniczną sztywność tkanki mózgowej. Jest również wystarczająco wytrzymały, aby wytrzymać procedurę zwijania. Widzisz, jak naczynie rozszerza się i porusza, ale jest w stanie wytrzymać zabieg — bardzo podobnie jak in vivo. Dzięki temu idealnie nadaje się do wykorzystania jako platforma szkoleniowa dla chirurgów lub jako system do testowania in vitro urządzeń do embolizacji.

Oprócz opieki dostosowanej do potrzeb pacjenta i pełnienia funkcji stanowiska testowego do szkolenia chirurgicznego, naukowcy stwierdzili, że platforma może pomóc w lepszym zrozumieniu podstawowej biologii i reakcji gojenia pooperacyjnego.

Choć wstępne wyniki są obiecujące, naukowcy ostrzegają, że przed platformą zastosowanie w środowisku klinicznym jeszcze długa droga. Następnym krokiem zespołu jest połączenie dwuwymiarowego modelu krzepnięcia krwi opracowanego przez inżyniera obliczeniowego z LLNL i współautora artykułu Jasona Ortegi z trójwymiarowym modelem dynamiki płynów Randlesa w celu symulacji tworzenia się skrzepów krwi w odpowiedzi na działanie cewek w trzech wymiarach. Ich celem jest porównanie tradycyjnych, gołych cewek z eksperymentalnymi cewkami polimerowymi z pamięcią kształtu opracowanymi przez Maitlanda, których zadaniem jest rozszerzanie się wewnątrz tętniaka, co sprzyja lepszemu krzepnięciu i poprawie wyników leczenia pacjentów.

Prace zostały sfinansowane w ramach programu badań i rozwoju ukierunkowanego na laboratorium. Współautorami byli Lindy Jang z Texas A&M University, Javier Alvarado i Elisa Wasson z LLNL, Marianna Pepona z Duke University i Landon Nash z Shape Memory Medical.

(C) Uniwersytet Duke'a

Oryginalne źródło artykułu: WRALTechWire