腦力突破？杜克大學科學家幫助在人類體外創建第一個活體生物列印動脈瘤

達勒姆 – 大約每 50 個美國人中就有一個患有腦動脈瘤，如果動脈瘤破裂，可能會導致嚴重的醫療緊急情況，包括中風、腦損傷和死亡。現有的治療選擇有限，而且往往是侵入性的，而且手術結果因人而異。

但由於研究人員的幫助，醫生也許能夠改進現有的治療方法並開發新的個人化治療方法。 勞倫斯利弗莫爾國家實驗室 （LLNL）及其外部合作者。該團隊包括杜克大學的科學家和 德州農工大學，已成為第一個在人類體外製造活體生物列印動脈瘤，對其進行醫療程序並觀察其反應和癒合的人，就像在真實的人腦中一樣。

正如雜誌中所描述的 生物製造由工程師 William “Rick” Hynes 和 Monica Moya 領導的 LLNL 團隊能夠複製動脈瘤 體外 透過用人類大腦細胞 3D 列印血管。海因斯對列印的動脈瘤進行了血管內修復手術——將導管插入血管並將鉑線圈緊緊包裹在動脈瘤囊內。填塞處理後，研究人員將血漿注入動脈瘤，觀察線圈所在處形成的血塊，切斷了血流。研究人員也能夠觀察血管內內皮細胞的「術後」癒合過程。

LLNL 的科學家表示，該平台與電腦建模相結合，代表著在根據個人血管幾何形狀、血壓和其他因素開發針對動脈瘤的患者特定護理方面邁出了重要一步，並且可以幫助克服生物醫學工程的最大障礙之一——新的外科技術和技術從實驗室跨越到臨床需要時間。

「雖然有很多有希望的治療方案，但有些還有很長的路要走，」該計畫的首席研究員莫亞說。 「動物模型不一定是嘗試這些選擇的最佳方法，因為它們缺乏對治療效果的直接觀察，並且具有無法控制的動脈瘤幾何形狀。擁有這個強大的人體體外測試平台可以幫助促進新的治療方法。如果我們能夠使用這些設備盡可能多地複製動脈瘤，我們可能會幫助加速其中一些產品進入臨床，並從本質上為患者提供更好的治療選擇。

腦動脈瘤是由動脈壁薄弱引起的，其特徵是大腦中的血管「膨脹」或凸出，如果破裂可能致命。一種常見的治療方法是手術「夾閉」——將金屬夾固定在動脈瘤的底部，以改變血流方向並防止動脈瘤破裂。該手術具有高度侵入性，需要外科醫生打開頭骨並暴露大腦。在某些情況下，例如當動脈瘤位於大腦內難以接近的區域時，治療甚至不是一種選擇。

一種更常見且侵入性較小的治療方法是血管內金屬彈簧圈方法，其中外科醫生將一根細金屬導管插入腹股溝的動脈中，穿過身體進入動脈瘤，用線圈或支架將其包裹起來，使其凝塊。血管內壁的內皮在凝結的栓塞上生長，將動脈瘤與脈管系統的其他部分隔離。研究人員表示，「盤繞」的缺點是成功很大程度上取決於多種因素，包括患者血管的幾何形狀，每個人的血管形狀都不同。

為了消除動脈瘤治療中的一些猜測，提出該計畫的最初首席研究員 Hynes 意識到，研究人員需要一種方法來驗證更具預測性的 3D 模型，並將患者的幾何形狀納入考量。海因斯說，利用人體細胞進行生物列印，研究人員可以創建與電腦模型相同的生物相關的動脈瘤幹預實驗模型，以便準確、輕鬆地驗證它們。

「我們研究了這個問題，並認為如果我們能夠將計算模型和實驗方法結合起來，也許我們可以想出一種更具確定性的方法來治療動脈瘤或選擇最適合患者的治療方法，」該項目的領導者海因斯說第一年。 “現在我們可以開始建立個人化模型的框架，外科醫生可以用它來確定治療動脈瘤的最佳方法。”

海因斯表示，LLNL 正在採取“三管齊下的方法”，與前LLNL 科學家鄧肯·梅特蘭(Duncan Maitland) 合作。 ，同時也是一家開髮用於治療動脈瘤的實驗性形狀記憶線圈的公司的負責人。 阿曼達·蘭德斯，前實驗室計算科學家和現任杜克大學助理教授，開發了一種模擬血流的代碼，稱為 HARVEY。使用該設備，實驗室研究人員能夠驗證蘭德斯的流動動力學模型，驗證在現實世界中觀察到的結果。在低流速下，研究人員發現很少有血液進入動脈瘤，而流速增加（例如當一個人激動或緊張時發生）會導致血液在整個動脈瘤中循環流動，正如真實情況中所預期的那樣。腦動脈瘤。

研究人員表示，透過將3D 列印平台與計算模型結合，他們開發了一種潛在工具，可供外科醫生預先選擇完全包覆動脈瘤所需的最佳線圈類型，從而獲得最佳治療結果，並進行「試運行」在對人類患者進行嘗試之前先了解這些程序。

海因斯說：“本質上，臨床醫生可以直接查看某人的腦部掃描，透過建模軟體運行它，該軟體可以在治療前顯示流體動力學。” “它還應該能夠模擬這種治療，並允許醫生縮小到某種類型的線圈或包裝體積，以確保最佳的結果。”

大多數動脈瘤計算模型都是透過誘導患有動脈瘤的動物並對它們進行手術來驗證的。研究人員解釋說，動物模型是不完美的，因為很難收集它們的數據，而且它們的血管幾何形狀不可重複。科學家也使用非生物設備，例如 3D 列印的矽膠管，可以控制血管的幾何形狀，但結果可能無法反映人類生物學。

研究人員表示，與動物模型不同，LLNL 的平台允許科學家直接測量血管和動脈瘤內的流體動力學，同時保持生物相關性，這是驗證電腦模型的最佳平台。

莫亞說：“這是計算機模型的理想平台，因為我們可以進行流量測量，而如果在動物身上進行這種測量，則很難進行。” 「令人興奮的是，這個平台模仿了血管順應性和腦組織的機械剛度。它也足夠堅固，可以處理捲繞過程。你會看到血管擴張並移動，但它能夠承受這個過程——就像你在體內一樣。這使得它非常適合用作外科醫生的培訓平台或栓塞裝置的體外測試系統。

研究人員表示，除了針對患者的護理和作為手術訓練的試驗台之外，該平台還有潛力提高對基礎生物學和術後癒合反應的理解。

雖然早期結果很有希望，但研究人員警告說，該平台在臨床環境中得到應用還有很長的路要走。團隊的下一步是將 LLNL 計算工程師兼論文合著者 Jason Ortega 開發的二維凝血模型與 Randles 的 3D 流體動力學模型相結合，以模擬血塊如何響應三維線圈而形成。他們的目的是將傳統的裸線圈與梅特蘭開發的實驗性形狀記憶聚合物線圈進行比較，後者旨在在動脈瘤內擴張，以促進更好的凝血並改善患者的治療效果。

這項工作由實驗室指導研究與發展計劃資助。合著者包括德州農工大學的 Lindy Jang、LLNL 的 Javier Alvarado 和 Elisa Wasson、杜克大學的 Marianna Pepona 和形狀記憶醫學的 Landon Nash。

(C) 杜克大學

原文來源： WRAL 技術線