Los aneurismas cerebrales, causados ​​por el debilitamiento de las paredes de las arterias en el cerebro, afectan aproximadamente a una de cada 50 personas en los EE. UU. Y se distinguen por un vaso sanguíneo abultado, que puede causar daño cerebral, accidente cerebrovascular o incluso la muerte si se rompe. 

Un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL),  la Universidad de Duke y Texas A&M ha estado trabajando arduamente para mejorar los procedimientos quirúrgicos actuales y hacerlos más específicos para cada paciente. Estos científicos utilizaron bioimpresión en 3D para crear el primer aneurisma vivo fuera del cuerpo humano y luego realizaron un procedimiento médico, observándolo responder al tratamiento y sanar como un cerebro real.

El equipo publicó un artículo sobre su trabajo en la revista Biofabrication.

“En este documento, desarrollamos estructuras de tejido vascularizado con aneurisma impresas en tres dimensiones (3D) utilizando hidrogel de gelatina-fibrina cuyas paredes internas de los vasos se sembraron con células endoteliales microvasculares cerebrales humanas (hCMEC). Las hCMEC exhibieron fácilmente unión celular, propagación y confluencia alrededor de las paredes de los vasos, incluidas las paredes del aneurisma. Además, la  plataforma in vitro fue directamente susceptible de mediciones de flujo mediante velocimetría de imágenes de partículas, lo que permitió la evaluación directa de la dinámica del flujo vascular para compararla con un modelo de dinámica de fluidos computacional en 3D ”, escribieron en el resumen.

Obviamente, los aneurismas cerebrales no son fáciles de arreglar. Un tratamiento muy invasivo consiste en colocar un clip de metal en la base para desviar el flujo sanguíneo de ella, y requiere que los cirujanos abran el cráneo y expongan el cerebro. Otro tratamiento común, pero menos invasivo, se llama enrollamiento endovascular de metal e involucra a un cirujano que inserta un catéter de metal delgado en una arteria en la ingle del paciente, introduciéndolo por todo el cuerpo hasta el aneurisma (¡me suena invasivo! ). Luego, lo empacan con stents o espirales, lo que causa un coágulo, y el endotelio que recubre el vaso sanguíneo en cuestión crecerá sobre el tapón coagulado, básicamente formando una pared alrededor del aneurisma para que se separe del resto de la vasculatura. Desafortunadamente, el resultado de ambos métodos de tratamiento a menudo varía de un paciente a otro.

“Si bien hay muchas opciones de tratamiento prometedoras, algunas aún tienen un largo camino por recorrer. 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 y tienen geometrías de aneurisma incontrolables ”, dijo la ingeniera e investigadora principal del LLNL, Monica Moya.

“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 «.

La impresión 3D se ha utilizado antes para ayudar a los cirujanos a capacitarse para estos procedimientos complejos utilizando modelos e incluso monitorear los aneurismas cerebrales en tiempo real . Pero el equipo de investigación dirigido por LLNL pudo replicar un aneurisma cerebral in vitro  utilizando células cerebrales humanas para crear vasos sanguíneos bioimpresos. Otro ingeniero de LLNL, William “Rick” Hynes, quien fue el investigador principal original, tuvo la idea de que la bioimpresión con células humanas podría ayudar a los investigadores médicos a crear y validar modelos 3D más predictivos, específicos del paciente y biológicamente relevantes.

Hynes dijo: “Analizamos el problema y pensamos que si podíamos combinar el modelo computacional y los enfoques experimentales, tal vez podríamos idear un método más determinista para tratar los aneurismas o seleccionar los tratamientos que mejor pudieran servir al paciente. Ahora podemos comenzar a construir el marco de un modelo personalizado que un médico quirúrgico podría usar para determinar el mejor método para tratar un aneurisma ”.

Hynes y Moya se asociaron con el ex científico de LLNL Duncan Maitland, quien dirige un grupo de ingeniería biomédica en Texas A&M y también dirige Shape Memory Medical , que está desarrollando una bobina de memoria de forma experimental para el tratamiento de aneurismas; y Amanda Randles, otra ex científica de LLNL y actual profesora asistente de Duke que desarrolló un código para simular el flujo sanguíneo, para este trabajo. Los autores adicionales del artículo son Lindy K.Jang (Texas A&M), Javier A. Alvarado (LLNL), Marianna Pepona (Duke), Elisa M. Wasson (LLNL), Landon D. Nash (Shape Memory Medical) y Jason M .Ortega (LLNL).

El equipo diseñó las paredes laterales del biorreactor para la plataforma de aneurismas en SOLIDWORKS y utilizó el software Slic3r de código abierto para convertir el diseño a código G. Usando una bioimpresora de extrusión personalizada, las paredes se imprimieron luego con silicona SE-1700 en portaobjetos de vidrio, que luego se curaron y esterilizaron en un autoclave. La geometría de los vasos sanguíneos se imprimió utilizando una tinta de sacrificio, rodeada por un hidrogel a base de proteínas; esto se enfrió para disolver la tinta, que dejó la forma de la vasculatura. Las células endoteliales del cerebro humano recubrieron los canales para formar el aneurisma y los vasos sanguíneos.

Hynes realizó la reparación del aneurisma bioimpreso insertando un microcatéter y bobinas de platino apretadas dentro del saco. Luego, los investigadores introdujeron plasma sanguíneo y observaron que se formaba un coágulo de sangre en la ubicación de las espirales en el aneurisma, cortándolo del flujo de líquido. Ocho días después de lo que LLNL cree que es «la primera intervención quirúrgica jamás realizada en un tejido vivo artificial», el equipo vio el proceso de curación postoperatoria del endotelio dentro de los vasos con sus propios ojos.

Los investigadores también utilizaron el dispositivo para mostrar la validez del modelo de dinámica de flujo de Randles, notando poco movimiento de sangre en el aneurisma a tasas de flujo bajas y un flujo circular más rápido cuando se aumenta la tasa, como lo que sucedería si un paciente humano estuviera agitado. .

Cuando se combina con el modelado por computadora, LLNL dice que esta plataforma es un gran paso en la creación de cuidados de aneurismas cerebrales específicos para el paciente en función de factores como la presión arterial y la geometría de los vasos sanguíneos, lo que podría ayudar a acelerar la cantidad de tiempo que tardan las técnicas quirúrgicas complejas en diríjase a las clínicas de formación. Los cirujanos pueden utilizarlo como herramienta para elegir las mejores bobinas de empaque de aneurismas antes de la cirugía.

“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. 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”, explicó Hynes.

La plataforma también se puede utilizar para obtener una mejor comprensión de la biología básica y la curación posoperatoria, así como para realizar pruebas con anticipación, sin tener que inducir a los animales con aneurismas y luego realizar una cirugía. Puede medir directamente la dinámica de fluidos dentro del aneurisma y los vasos sanguíneos, lo que no se puede hacer con animales.

“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. 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 manera muy similar a como lo haría  in vivo ”, dijo Moya. «Esto lo hace ideal para ser utilizado como una plataforma de formación para cirujanos o como un  sistema de prueba in vitro para dispositivos de embolización».

El equipo de LLNL dice que esta plataforma se muestra prometedora en esta etapa inicial. Su siguiente paso es combinar un modelo de coagulación sanguínea en 2D que el ingeniero computacional Ortega de LLNL creó con el modelo de dinámica de fluidos en 3D de Randles, para simular cómo se forman los coágulos de sangre que causan aneurismas en respuesta a las bobinas en 3D.

(Fuente: LLNL )