L’utilizzo della tecnologia dei chip per imitare precisamente i vasi sanguigni nei polmoni potrebbe essere un modo migliore per trattare i pazienti con insufficienza polmonare.
di Mike Orcutt
Quasi 200.000 persone negli Stati Uniti da soli soffrono di sindrome da disordine respiratorio acuto ogni anno.
Una nuova tecnologia che ricrea importanti caratteristiche delle strutture polmonari potrebbe a essere un’alternativa più sicura a certi tipi di macchine respiratorie e cardiache utilizzate per il trattamento di persone i cui polmoni non possono funzionare perfettamente a causa di malattie o lesioni.
Il sangue rosso scuro scorre nel dispositivo, dove scambia l’anidride carbonica per l’ossigeno e emerge dall’altra parte molto più luminoso. Utilizzando tecniche di produzione originariamente progettate per realizzare chip informatici, gli ingegneri biomedici hanno compiuto negli ultimi anni progressi significativi verso l’imitazione dei meccanismi di determinati sistemi di organi, la cui funzionalità sana dipende da condizioni chimiche e fisiche molto precise. Il sangue, per esempio, è estremamente sensibile agli ambienti diversi da quelli che incontra nei sistemi di vita sani. Ora gli ingegneri del Draper Laboratory dicono di aver progettato una nuova terapia polmonare, composta da minuscoli canali modellati in un polimero biocompatibile in grado di gestire elevati tassi di flusso sanguigno. Se le cose vanno come previsto, la terapia sarà molto più sicura di quelle usate oggi.
È frequente che le persone critiche facciano esperienza della sindrome da ‘distress respiratorio acuto’ (ARDS), in cui il liquido si accumula nei polmoni e impedisce il normale scambio di ossigeno e anidride carbonica. La ventilazione meccanica dei polmoni, la terapia più comunemente usata per questi pazienti, è come chiedere a qualcuno di “esercitare un braccio rotto”, dice Jeff Borenstein, che guida il progetto polmonare microfluidico a Draper.
La terapia invasiva coinvolge elevate concentrazioni di ossigeno nei polmoni ad alte pressioni e non consente al tessuto malato o danneggiato di guarire, dice. Ancora peggio, di solito porta a gravi complicazioni.
Un’alternativa alla ventilazione meccanica è l’ossigenazione della membrana extracorporea (ECMO), che comporta il prelievo del sangue del paziente e il suo pompaggio attraverso un dispositivo che rimuove l’anidride carbonica e aggiunge ossigeno a esso prima di restituire il sangue al corpo del paziente.
↳Tradizionalmente, l’ECMO è stato usato principalmente come misura salvavita se la ventilazione meccanica non funziona o è impossibile, ed è più comunemente usato nei bambini. Le odierne macchine ECMO, in cui il sangue scorre su un fascio di fibre porose attraverso le quali viene pompato l’ossigeno, sono complicate e richiedono competenze specialistiche per operare. Il sangue tende a coagularsi nel dispositivo, che è molto diverso dall’ambiente nei polmoni, quindi i pazienti devono assumere grandi dosi di farmaci anti-coagulazione. Questo può portare ad altre complicazioni pericolose come il sanguinamento nel cervello o il sistema gastrointestinale.
Il nuovo dispositivo microfluidico, che è più semplice nel design e fornisce al sangue che scorre un ambiente molto più simile a quello che incontra nei polmoni, potrebbe essenzialmente sostituire il “fegato” delle macchine ECMO tradizionali, afferma David O’Dowd, program manager per i sistemi biomedici a Draper.
Accatastando strati di plastica biocompatibile con microcanali modellati sulla loro superficie, la squadra di Borenstein ha costruito una “struttura tridimensionale di ramificazione” in cui i canali più grandi si diramano gradualmente in quelli più piccoli, in modo simile al modo in cui i vasi sanguigni più grandi si diramano in capillari.
Altri gruppi di ricerca stanno anche perseguendo tecnologie di scambio di gas a base di microfluidi, ma Borenstein afferma che il dispositivo della sua squadra è unico nel grado in cui imita il sistema biologico reale – qualcosa reso possibile dai metodi proprietari utilizzati dal gruppo per realizzare la ramificazione 3-D . Mentre il sangue scorre attraverso il dispositivo, questo mette anche l’ossigeno e il sangue più vicini, il che consente uno scambio di gas più efficiente rispetto all’ECMO convenzionale.
Questo design unico è ciò che ha permesso al team di raggiungere una velocità del flusso sanguigno almeno 10 volte più veloce rispetto alle tecnologie microfluidiche concorrenti, secondo Borenstein. Recentemente, il gruppo ha dimostrato una velocità di flusso di 100 millilitri al minuto usando sangue bovino. Ora l’obiettivo è di ridimensionarlo in modo che possa gestire litri di sangue al minuto senza sacrificare gli attributi che riducono il rischio di coagulazione.
Poiché un dispositivo come questo sarebbe più semplice, più efficiente e non richiederebbe ai pazienti di assumere molti fluidificanti del sangue, potrebbe essere molto più sicuro delle attuali macchine ECMO per un uso a lungo termine, Ciò potrebbe essere particolarmente utile per aiutare le persone con riacutizzazioni di condizioni polmonari croniche comuni come la broncopneumopatia cronica ostruttiva (BPCO). Se la tecnologia può essere ridimensionata e commercializzata con successo, dice, ha il potenziale per “rivoluzionare il modo in cui ci prendiamo cura delle persone che hanno insufficienza respiratoria acuta.
