Una pompa ispirata alla fisarmonica apre una nuova era per la tecnologia "lab-on-a-chip"
Un dispositivo, primo nel suo genere, riproduce in laboratorio le forme d'onda del flusso sanguigno umano, aprendo nuove prospettive per lo studio delle malattie vascolari, la scoperta di nuovi farmaci e la sicurezza dei viaggi spaziali
Annunci
Da oltre 25 anni, la tecnologia “lab-on-a-chip” consente ai ricercatori di riprodurre modelli di organi e vasi sanguigni umani utilizzando cellule umane reali in ambienti microscopici artificiali. Questi sistemi microfisiologici (MPS) sono in grado di replicare le cellule umane e di simulare organi o persino interi apparati in numerose condizioni. Sono diventati fondamentali per lo studio di una vasta gamma di argomenti, dalle malattie cardiache all’efficacia dei nuovi farmaci.
Tuttavia, il loro sviluppo è stato ostacolato da un limite fondamentale: l’incapacità di ricreare con precisione le forme d’onda del flusso sanguigno originate dal cuore umano.
«Da decenni ci stiamo impegnando per trovare un sistema di perfusione realmente stabile», ha affermato il dottor Abhishek Jain, professore associato di ingegneria biomedica e Barbara and Ralph Cox ’53 Faculty Fellow presso la Texas A&M University. «Il flusso sanguigno umano generato dal battito cardiaco è costituito da impulsi multipli, con diverse lunghezze d’onda, e si verifica in un arco di tempo molto breve: occorre una variazione del flusso entro 50 millisecondi. Ciò non può essere garantito dalle pompe attualmente disponibili».
La forma d’onda del flusso sanguigno — e la reazione delle cellule ad essa — è alla base di numerosi problemi di salute. Quando il modello ondulatorio del flusso sanguigno cambia a causa di malattie, età o persino assenza di gravità, le cellule endoteliali che rivestono ogni vaso sanguigno del corpo iniziano a manifestare comportamenti cellulari patologici, portando infine a malattie potenzialmente letali.
Ora, Jain e il dottor Ankit Kumar, che ha appena conseguito il dottorato di ricerca in ingegneria biomedica presso la Texas A&M, hanno sviluppato HemaDyne, una pompa unica nel suo genere in grado di replicare perfettamente il flusso sanguigno in qualsiasi condizione e in qualsiasi parte del corpo. Il loro lavoro è stato pubblicato su *Nature Communications*.
«Questa pompa consente di acquisire qualsiasi forma d’onda del flusso sanguigno registrata in clinica da un paziente o da un vaso sanguigno qualsiasi, per poi ricrearla in laboratorio, dove può essere osservata», ha spiegato Kumar. «In questo modo, è possibile osservare come si comportano le cellule endoteliali in quelle condizioni. Si può studiare l’insorgenza delle malattie vascolari e il modo in cui si formano, in modo da poterle risolvere tempestivamente con terapie adeguate.
«È persino possibile prelevare cellule da pazienti umani e inserirle all’interno dei chip, in modo da poter testare diversi farmaci per individuare quale sia il più efficace nel risolvere precocemente questi disturbi legati al flusso e impedire che, nel corso dei decenni, si trasformino in gravi patologie in grado di cambiare il corso della vita.»
L’ispirazione per questo dispositivo è venuta da uno studente che suonava una fisarmonica nel campus di College Station della Texas A&M. Sebbene sia Jain che Kumar fossero cresciuti vedendo regolarmente gli armonium — strumenti simili alla fisarmonica spesso utilizzati nei musical di Bollywood — fu solo quando videro quello studente sconosciuto suonarne uno fuori da un edificio di ingegneria del campus che la fisica dello strumento divenne improvvisamente chiara.
«Abbiamo notato che la fisarmonica presenta al centro questi soffietti in grado di espandersi e contrarsi. È proprio questa geometria che permette di generare pressione d’aria senza troppa fatica», ha spiegato Jain. «Esistono pompe che utilizzano il flusso di pressione dell’aria, ma nessuna di esse ha sfruttato questa fisica o geometria, che permette al musicista di creare forme d’onda molto rapidamente. Abbiamo ipotizzato: e se utilizzassimo quel principio di variazione della pressione dell’aria per creare invece un flusso?»
Kumar e Jain hanno iniziato a studiare in laboratorio le potenziali applicazioni delle pieghe a fisarmonica. Sebbene gli strumenti a fisarmonica siano costosi, la stessa geometria è utilizzata nei dispenser di colla in plastica a “bottiglia a fisarmonica” — disponibili a meno di 1 dollaro a bottiglia. Dotati proprio dei principi scientifici che stavano cercando, i ricercatori si sono messi all’opera per trasformare il dispenser di colla in un sistema in grado di generare forme d’onda di pressione, proprio come le armonie musicali. La risposta si è rivelata essere le stampanti 3D.
«Esiste una vasta comunità open source dedicata alla stampa 3D, quindi ho preso in prestito il firmware dalle stampanti 3D», ha spiegato Kumar. «Si tratta di un linguaggio chiamato G-code. Sono riuscito a utilizzare quel linguaggio per acquisire le misurazioni delle forme d’onda del flusso sanguigno da un paziente — convertirle in G-code — e poi riprodurre queste forme d’onda in laboratorio, consentendoci di studiare malattie vascolari complesse».
Svelare le origini delle malattie vascolari è solo una piccola parte del potenziale del dispositivo. La capacità di modellare con precisione le condizioni di qualsiasi malattia misurabile utilizzando cellule umane in un dispositivo piccolo e facilmente trasportabile potrebbe aprire la strada a tutto, dalla scoperta di nuovi farmaci ai viaggi spaziali.
«È possibile far funzionare questi sistemi per mesi. Si possono inviare nello spazio e riportarli indietro. Si possono modellare malattie croniche», ha affermato Jain. «Questo ha aperto le porte alle nuove tecnologie che verranno. Tra cinque anni, l’integrazione dei sistemi MPS con questa tecnologia di pompaggio potrebbe renderli così robusti e standardizzati da consentire la conduzione di studi clinici in buona fede, con probabilità di successo significativamente superiori a quelle attuali. Ciò significa farmaci migliori, una migliore comprensione delle malattie umane, una migliore comprensione di ciò che accade alla salute degli astronauti quando vanno nello spazio e tornano indietro, e una migliore comprensione dell’invecchiamento e del cancro».
La ricerca è stata condotta con il sostegno della NASA, che considera questa tecnologia una componente promettente per un viaggio umano sicuro su Marte.
«Siamo davvero fortunati a poter contare sui finanziamenti della NASA e dei suoi partner per poter svolgere questo tipo di lavoro di grande impatto con i nostri studenti di ingegneria biomedica, sia a livello di laurea triennale che magistrale», ha affermato Jain. «Questo è un esempio di come l’ingegneria strumentale possa favorire la biologia. Questo dispositivo darà impulso a nuove scoperte biologiche».
Il dispositivo è in fase di brevettazione con l’aiuto dell’ufficio per l’innovazione della Texas A&M.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
Pubblicazione originale
Altre notizie dal dipartimento scienza
