Hjärnans genombrott? Duke-forskare hjälper till att skapa första levande, bioprintade aneurysm utanför människokroppen

DURHAM – Hjärnaneurysm drabbar ungefär en av 50 amerikaner och kan leda till allvarliga medicinska nödsituationer, inklusive stroke, hjärnskador och död om de spricker. Befintliga behandlingsalternativ är begränsade och ofta invasiva, och kirurgiska resultat kan variera kraftigt från person till person.

Men läkare kanske kan förbättra befintliga behandlingsmetoder och utveckla nya personliga, tack vare forskare på Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) och deras externa medarbetare. Teamet, som inkluderar forskare vid Duke University och Texas A&M, har blivit den första att producera en levande, bioprintad aneurysm utanför människokroppen, utföra en medicinsk procedur på den och observera den svara och läka som den skulle göra i en verklig mänsklig hjärna.

Som beskrivs i journalen Biotillverkning, ett LLNL-team ledd av ingenjörerna William "Rick" Hynes och Monica Moya kunde replikera ett aneurysm in vitro genom att 3D-printa blodkärl med mänskliga hjärnceller. Hynes utförde en endovaskulär reparationsprocedur på det utskrivna aneurysmet - införde en kateter i blodkärlet och tätt packade platinaspiraler inuti aneurysmpåsen. Efter packningsbehandlingen introducerade forskarna blodplasma i aneurysmen och observerade bildandet av en blodpropp där spolarna var belägna, vilket skar bort den från vätskeflödet. Forskarna kunde också observera "post-op" läkningsprocessen för endotelcellerna i kärlen.

LLNL-forskare sa att plattformen, i kombination med datormodellering, representerar ett viktigt steg för att utveckla patientspecifik vård för aneurysm baserat på en individs blodkärlsgeometri, blodtryck och andra faktorer, och kan hjälpa till att övervinna ett av biomedicinsk tekniks största hinder - tid det tar för nya kirurgiska tekniker och teknologier att ta sig från laboratoriet till kliniken.

"Även om det finns många lovande behandlingsalternativ har vissa fortfarande en lång väg kvar att gå", säger Moya, projektets huvudutredare. "Djurmodeller är inte nödvändigtvis det bästa sättet att prova dessa alternativ, eftersom de saknar direkt observation av behandlingseffekter och har okontrollerbara aneurysmgeometrier. Att ha denna robusta, mänskliga in vitro-testplattform kan hjälpa till att underlätta nya behandlingar. Om vi kan replikera aneurysm så mycket som vi behöver med dessa enheter, kan vi hjälpa till att accelerera några av dessa produkter till kliniken och i huvudsak ge patienterna bättre behandlingsalternativ."

Cerebrala aneurysm orsakas av en försvagning av artärväggarna och kännetecknas av en "ballongbildning" eller utbuktning av ett blodkärl i hjärnan och kan vara potentiellt dödligt om de brister. En vanlig behandling är kirurgisk "klippning" - att fästa en metallklämma på basen av aneurysmet för att omdirigera blodflödet och förhindra att det spricker. Proceduren är mycket invasiv och kräver att kirurger öppnar skallen och exponerar hjärnan. I vissa fall, till exempel när aneurysmet är lokaliserat i otillgängliga områden i hjärnan, är behandlingen inte ens ett alternativ.

En vanligare och mindre invasiv behandling är den endovaskulära metallspiralmetoden, där en kirurg matar en tunn metallkateter - införd i en artär i ljumsken - upp genom kroppen och in i aneurysmen, packar den med spolar eller stentar och får den att koagulera. Endotelet som fodrar blodkärlet växer över den koagulerade pluggen, väggar av aneurysmet från resten av kärlsystemet. Nackdelen med att "rulla ihop sig" är att framgången är starkt beroende av en mängd olika faktorer, inklusive geometrin hos patientens blodkärl, som skiljer sig från en person till en annan, sa forskare.

För att ta bort en del av gissningarna från aneurysmbehandlingar insåg Hynes, den ursprungliga huvudutredaren som föreslog projektet, att forskare skulle behöva ett sätt att validera mer prediktiva 3D-modeller som tar hänsyn till patientens geometri. Bioprinting med mänskliga celler, sade Hynes, tillåter forskare att skapa biologiskt relevanta experimentella modeller av aneurysminterventioner som är identiska med datormodellerna, för att validera dem exakt och enkelt.

"Vi tittade på problemet och tänkte att om vi kunde koppla ihop beräkningsmodeller och experimentella tillvägagångssätt, kanske vi kunde komma på en mer deterministisk metod för att behandla aneurysm eller välja behandlingar som bäst kunde tjäna patienten", säger Hynes, som ledde projektet för sitt första år. "Nu kan vi börja bygga ramverket för en personlig modell som en kirurg kan använda för att bestämma den bästa metoden för att behandla ett aneurysm."

Hynes sa att LLNL tar en "tredelad strategi", tillsammans med den tidigare LLNL-forskaren Duncan Maitland - som leder en biomedicinsk ingenjörsgrupp vid Texas A&M och också leder ett företag som utvecklar en experimentell formminnesspole för behandling av aneurysm - och Amanda Randles, en före detta laboratorieberäkningsforskare och nuvarande assistentprofessor vid Duke University som utvecklade en kod för att simulera blodflöde, kallad HARVEY. Med hjälp av enheten kunde laboratorieforskare validera Randles flödesdynamikmodell och verifiera resultat som skulle observeras i den verkliga världen. Vid låga flödeshastigheter såg forskarna liten rörelse av blod in i aneurysmet, medan en ökad flödeshastighet, som uppstår när en person är upprörd eller nervös, resulterade i ett cirkulärt flöde av blod genom aneurysmet, vilket man kan förvänta sig i en sann hjärnaneurysm.

Genom att kombinera den 3D-utskrivna plattformen med beräkningsmodeller sa forskarna att de har utvecklat ett potentiellt verktyg för kirurger att i förväg välja de bästa spiraltyperna som behövs för att helt packa ett aneurysm för att resultera i bästa behandlingsresultat och utföra "testkörningar" av procedurer innan man försöker dem på den mänskliga patienten.

"I huvudsak kunde en läkare bokstavligen titta på någons hjärnskanning, köra den genom modelleringsmjukvaran, och programvaran kunde visa vätskedynamiken före behandlingen," sa Hynes. "Det bör också kunna simulera den behandlingen och tillåta utövaren att begränsa till en viss typ av spole eller packningsvolym för att säkerställa bästa möjliga resultat."

De flesta beräkningsmodeller av aneurysm valideras genom att inducera djur med aneurysm och utföra operation på dem. Djurmodeller är ofullkomliga, förklarade forskare, eftersom det är svårt att samla in data om dem, och deras kärlgeometrier är inte reproducerbara. Forskare använder också icke-biologiska enheter, såsom 3D-tryckta silikonrör, där kärlgeometrin kan kontrolleras, men resultaten kanske inte återspeglar människans biologi.

Till skillnad från djurmodeller tillåter LLNL:s plattform forskare att direkt mäta vätskedynamiken inuti kärlen och aneurysmen samtidigt som den bibehåller biologisk relevans, det bästa av alla världar för att validera en datormodell, sa forskare.

"Det här är en idealisk plattform för en silicomodell eftersom vi kan göra dessa flödesmätningar som skulle vara otroligt svåra att göra om du gjorde det här i ett djur," sa Moya. "Det som är spännande är att den här plattformen efterliknar blodkärlens efterlevnad och den mekaniska stelheten i hjärnvävnaden. Den är också tillräckligt robust för att klara av en lindningsprocedur. Du ser att kärlet tänjs ut och rör sig, men det kan motstå proceduren - ungefär som du skulle göra in vivo. Detta gör den idealisk att användas som en träningsplattform för kirurger eller som ett in vitro-testsystem för emboliseringsanordningar."

Förutom patientspecifik vård och att fungera som en testbädd för kirurgisk träning, sa forskare att plattformen har potential för att förbättra förståelsen av grundläggande biologi och läkningssvaret efter operationen.

Även om tidiga resultat är lovande, varnade forskarna att det är en lång väg kvar innan plattformen ser tillämpning i den kliniska miljön. Teamets nästa steg är att kombinera en tvådimensionell blodkoaguleringsmodell utvecklad av LLNL:s beräkningsingenjör och pappersmedförfattare Jason Ortega med Randles 3D-vätskedynamikmodell, för att simulera hur blodproppar bildas som svar på spolarna i tre dimensioner. De syftar till att jämföra de traditionella nakna spolarna med de experimentella formminnespolymerspolarna som utvecklats av Maitland och som är designade för att expandera inuti aneurysmet för att främja bättre koagulering och förbättra patienternas resultat.

Arbetet finansierades av programmet Laboratory Directed Research and Development. Medförfattare var Lindy Jang från Texas A&M University, Javier Alvarado och Elisa Wasson från LLNL, Marianna Pepona från Duke University och Landon Nash från Shape Memory Medical.

(C) Duke University

Ursprunglig artikelkälla: WRAL TechWire