Desarrollan el primer aneurisma vivo bioimpreso en 3D para probar tratamientos quirúrgicos

Los aneurismas cerebrales afectan aproximadamente a uno de cada 50 estadounidenses y pueden provocar emergencias médicas graves, como derrames cerebrales, daño cerebral y la muerte si estallan.

Las opciones de tratamiento existentes son limitadas y, a menudo, invasivas, y los resultados quirúrgicos pueden variar ampliamente de una persona a otra.

Pero los médicos pueden mejorar los métodos de tratamiento existentes y desarrollar nuevos personalizados, gracias a los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore y sus colaboradores externos.

El equipo, que incluye a científicos de la Universidad de Duke y Texas A&M, se ha convertido en el primero en producir un aneurisma vivo bioimpreso fuera del cuerpo humano, realizar un procedimiento médico en él y observar cómo responde y sana como lo haría en un cerebro de un ser humano real.

Como se describe en la revista Biofabrication, un equipo de LLNL dirigido por los ingenieros William “Rick” Hynes y Monica Moya pudo replicar un aneurisma in vitro mediante la impresión 3D de vasos sanguíneos con células cerebrales humanas.

Hynes realizó un procedimiento de reparación endovascular en el aneurisma impreso: insertando un catéter en el vaso sanguíneo y colocando espirales de platino en el interior del saco del aneurisma.

Después del tratamiento de empaquetamiento, los investigadores introdujeron plasma sanguíneo en el aneurisma y observaron la formación de un coágulo de sangre donde se ubicaban las espirales, cortándolo del flujo de líquido.

Los investigadores también pudieron observar el proceso de curación “posoperatorio” de las células endoteliales dentro de los vasos.

Los científicos de LLNL dijeron que la plataforma, cuando se combina con el modelado por computadora, representa un paso significativo para desarrollar la atención específica del paciente para los aneurismas en función de la geometría de los vasos sanguíneos, la presión arterial y otros factores de un individuo, y podría ayudar a superar uno de los mayores obstáculos de la ingeniería biomédica: el tiempo que se necesita para que las nuevas técnicas y tecnologías quirúrgicas salten del laboratorio a la clínica.

“Si bien hay muchas opciones de tratamiento prometedoras, algunas aún tienen un largo camino por recorrer“, dijo Moya, el investigador principal actual del proyecto.

“Los modelos animales no son necesariamente la mejor manera de probar estas opciones, ya que carecen de la observación directa de los efectos del tratamiento, las geometrías incontrolables de los aneurismas y, por supuesto, tienen un costo tanto monetario como ético.

Tener esta sólida plataforma de pruebas in vitro en humanos podría ayudar a facilitar nuevos tratamientos.

Si podemos replicar aneurismas tanto como sea necesario con estos dispositivos, podríamos ayudar a acelerar algunos de estos productos en la clínica y, esencialmente, brindar a los pacientes mejores opciones de tratamiento“.

Causados ​​por un debilitamiento de las paredes de las arterias, los aneurismas cerebrales se caracterizan por un “abultamiento” o abultamiento de un vaso sanguíneo en el cerebro y pueden ser potencialmente fatales si se rompen.

Un tratamiento común es el “clip” quirúrgico, que consiste en colocar un clip de metal en la base del aneurisma para desviar el flujo sanguíneo y evitar que estalle.

El procedimiento es muy invasivo y requiere que los cirujanos abran el cráneo y expongan el cerebro.

En algunos casos, como cuando el aneurisma se encuentra en regiones inaccesibles del cerebro, el tratamiento ni siquiera es una opción.

Un tratamiento más común y menos invasivo es el método de enrollamiento de metal endovascular, en el que un cirujano introduce un catéter de metal delgado, insertado en una arteria en la ingle, a través del cuerpo y dentro del aneurisma, empacándolo con espirales o stents y haciendo que coagule.

El endotelio que recubre el vaso sanguíneo crece sobre el tapón coagulado, aislando el aneurisma del resto de la vasculatura.

La desventaja de “enrollar” es que el éxito depende en gran medida de una variedad de factores, incluida la geometría de los vasos sanguíneos del paciente, que difieren de una persona a otra, dijeron los investigadores.

Para eliminar algunas de las conjeturas sobre los tratamientos de aneurismas, Hynes, el investigador principal original que propuso el proyecto, se dio cuenta de que los investigadores necesitarían una forma de validar modelos 3D más predictivos que tengan en cuenta la geometría del paciente.

La bioimpresión con células humanas, dijo Hynes, permite a los investigadores crear modelos experimentales biológicamente relevantes de intervenciones de aneurismas que son idénticos a los modelos informáticos, a fin de validarlos con precisión y facilidad.

“Analizamos el problema y pensamos que si podíamos combinar el modelado computacional y los enfoques experimentales, tal vez podríamos idear un método más determinista para tratar los aneurismas o seleccionar los tratamientos que pudieran servir mejor al paciente“, dijo Hynes, quien dirigió el proyecto.

“Ahora podemos comenzar a construir el marco de un modelo personalizado que un médico quirúrgico podría utilizar para determinar el mejor método para tratar un aneurisma“.

Hynes dijo que LLNL está adoptando un “enfoque triple”, en equipo con el ex científico de LLNL Duncan Maitland, quien dirige un grupo de ingeniería biomédica en Texas A&M y también dirige una empresa que desarrolla una bobina de memoria de forma experimental para el tratamiento de aneurismas, y Amanda Randles, ex científico computacional del laboratorio y actual profesor asistente de la Universidad de Duke que desarrolló un código para simular el flujo sanguíneo llamado HARVEY.

Con el dispositivo, los investigadores del laboratorio pudieron validar el modelo de dinámica de flujo de Randles, verificando los resultados que se observarían en el mundo real.

A velocidades de flujo bajas, los investigadores vieron poco movimiento de sangre hacia el aneurisma, mientras que un aumento de la velocidad de flujo, como ocurre cuando una persona está agitada o nerviosa, resultó en un flujo circular de sangre a través del aneurisma, como se esperaría en el aneurisma de un cerebro verdadero.

Para crear el aneurisma bioimpreso, Hynes y su equipo comenzaron imprimiendo la geometría del vaso con una tinta de “sacrificio”, rodeada por un hidrogel a base de proteínas.

Enfriaron el sistema para disolver la tinta, dejando atrás la forma de la vasculatura.

Luego introdujeron células endoteliales del cerebro humano, que recubrieron los canales, formando los vasos sanguíneos y el aneurisma reales.

Hynes realizó el procedimiento de enrollado con un microcatéter y bobinas de platino, que se cree que es la primera intervención quirúrgica realizada en un tejido vivo artificial.

Ocho días después del procedimiento, los investigadores observaron que el endotelio comenzaba a curarse por sí solo.

Al combinar la plataforma impresa en 3D con modelos computacionales, los investigadores dijeron que han desarrollado una herramienta potencial para que los cirujanos seleccionen previamente los mejores tipos de espirales necesarios para empacar completamente un aneurisma a fin de obtener el mejor resultado del tratamiento y realizar “pruebas de funcionamiento de procedimientos antes de intentarlos en el paciente humano“.

“Esencialmente, un médico podría literalmente mirar el escáner cerebral de alguien, ejecutarlo a través del software de modelado y el software podría mostrar la dinámica de fluidos antes del tratamiento“, dijo Hynes.

“También debería poder simular ese tratamiento y permitir que el médico se reduzca a un cierto tipo de bobina o volumen de empaque para garantizar el mejor resultado posible“.

La mayoría de los modelos computacionales de aneurismas se validan induciendo animales con aneurismas y realizándolos cirugía.

Los modelos animales son imperfectos, explicaron los investigadores, porque es difícil recopilar datos sobre ellos y las geometrías de sus vasos no son reproducibles.

Los científicos también utilizan dispositivos no biológicos, como tubos de silicona impresos en 3D, donde se puede controlar la geometría de los vasos, pero es posible que los resultados no reflejen la biología humana.

A diferencia de los modelos animales, la plataforma de LLNL permite a los científicos medir directamente la dinámica de fluidos dentro de los vasos y el aneurisma mientras se mantiene la relevancia biológica, el mejor de todos los mundos para validar un modelo de computadora, dijeron los investigadores.

“Esta es una plataforma ideal para un modelo in silico porque podemos hacer estas mediciones de flujo que serían increíblemente difíciles de hacer si estuviera haciendo esto en un animal”, dijo Moya.

“Lo emocionante es que esta plataforma imita la distensibilidad de los vasos sanguíneos y la rigidez mecánica del tejido cerebral.

También es lo suficientemente robusto para manejar un procedimiento de enrollado.

Está viendo que el vaso se dilata y se mueve, pero es capaz de resistir el procedimiento, de forma muy similar a como lo haría in vivo.

Esto lo hace ideal para ser utilizado como plataforma de formación para cirujanos o como sistema de prueba in vitro para dispositivos de embolización“.

Además de la atención específica del paciente y de servir como banco de pruebas para el entrenamiento quirúrgico, los investigadores dijeron que la plataforma tiene potencial para mejorar la comprensión de la biología básica y la respuesta de curación posoperatoria.

Si bien los primeros resultados son prometedores, los investigadores advirtieron que queda un largo camino por recorrer antes de que la plataforma vea una aplicación en el entorno clínico.

El siguiente paso del equipo es combinar un modelo de coagulación sanguínea bidimensional desarrollado por el ingeniero computacional de LLNL y coautor del artículo Jason Ortega con el modelo de dinámica de fluidos 3D de Randles, para simular cómo se forman los coágulos de sangre en respuesta a las bobinas en tres dimensiones.

Su objetivo es comparar las bobinas desnudas tradicionales con las bobinas de polímero con memoria de forma experimentales desarrolladas por Maitland que están diseñadas para expandirse dentro del aneurisma para promover una mejor coagulación y mejorar los resultados del paciente.

Fuente: News Wise