Gli ingegneri del MIT sperano di poter aiutare i medici ad adattare i trattamenti alla forma e alla funzione specifica del cuore dei pazienti, grazie a un cuore robotico personalizzato. Questo incontro tra tecnologia e medicina nasce perchè le dimensioni e la forma del cuore possono variare da una persona all’altra e queste differenze possono essere particolarmente pronunciate per le persone affette da malattie cardiache, in quanto il loro cuore e i vasi principali lavorano più duramente per superare qualsiasi funzione compromessa. Questa sinergia scientifica ha portato a sviluppare una procedura per stampare in 3D una replica morbida e flessibile del cuore del paziente. La versione copia serve da tester: monitorare le azioni della versione replica riproducendo in essa la capacità di pompaggio del sangue di quel paziente.
Il cuore robot
La procedura per ottenere il cuore robot di ogni paziente inizia con la conversione di immagini mediche del cuore in un modello tridimensionale al computer. Successivamente, si stampa in 3D utilizzando un inchiostro a base di polimeri. Il risultato è un guscio morbido e flessibile che ha l’esatta forma del cuore del paziente. Il team ha utilizzato questo approccio anche per stampare l’aorta, l’arteria principale che porta il sangue dal cuore al resto del corpo. Per imitare l’azione di pompaggio del cuore, i ricercatori hanno fabbricato dei manicotti simili a polsini per la pressione sanguigna (da applicare intorno al cuore e l’aorta stampati). La parte inferiore di ogni manicotto assomiglia a un involucro a bolle d’aria, modellato con precisione. Quando il manicotto è collegato a un sistema pneumatico, vene regolata l’aria in uscita per gonfiare ritmicamente le bolle del manicotto e contrarre il cuore, imitando la sua azione di pompaggio. I ricercatori hanno anche gonfiato un manicotto posizionato intorno l’aorta stampata per restringere il vaso. Questa costrizione, secondo i ricercatori, può essere regolata per simulare la stenosi aortica, una condizione in cui la valvola aortica si restringe, facendo sì che il cuore lavori più duramente per spingere il sangue attraverso il corpo. Di solito i medici trattano la stenosi aortica impiantando chirurgicamente una valvola sintetica progettata per allargare la valvola naturale dell’aorta. In futuro, secondo il team, i medici potrebbero utilizzare la nuova procedura per stampare prima il cuore e l’aorta di un paziente, quindi impiantare una serie di valvole nel modello stampato per vedere quale sia il design più funzionale e adatto a quel particolare paziente. Le repliche del cuore potrebbero anche essere utilizzate dai laboratori di ricerca e dall’industria dei dispositivi medici come piattaforme realistiche per testare terapie per vari tipi di malattie cardiache.
“Tutti i cuori sono diversi”, spiega Luca Rosalia, studente del MIT-Harvard Program in Health Sciences and Technology. “Ci sono variazioni enormi, soprattutto quando i pazienti sono malati. Il vantaggio del nostro sistema è che possiamo ricreare non solo la forma del cuore di un paziente, ma anche la sua funzione sia nella fisiologia che nella malattia”.
Un design inclusivo
L’inchiostro utilizzato dai ricercatori è a base di polimeri che, una volta stampato e indurito, può comprimersi e allungarsi, in modo simile a un vero cuore pulsante. Come materiale di partenza, i ricercatori hanno utilizzato le scansioni mediche di 15 pazienti con diagnosi di stenosi aortica. Il team ha convertito le immagini di ciascun paziente in un modello tridimensionale al computer del ventricolo sinistro (la principale camera di pompaggio del cuore) e dell’aorta del paziente. Il modello è stato inserito in una stampante 3D per generare un guscio morbido e anatomicamente accurato del ventricolo e del vaso. Il team ha anche fabbricato delle maniche per avvolgere le forme stampate. Hanno adattato le tasche di ciascun manicotto in modo che, una volta avvolto intorno alle rispettive forme e collegato a un piccolo sistema di pompaggio dell’aria, i manicotti potessero essere regolati separatamente per contrarre e restringere realisticamente i modelli stampati. I ricercatori hanno dimostrato che per ogni modello di cuore potevano ricreare con precisione le stesse pressioni e gli stessi flussi di pompaggio cardiaco precedentemente misurati in ogni rispettivo paziente.
Guardare al futuro
Facendo un ulteriore passo avanti, il team ha voluto replicare alcuni degli interventi a cui sono stati sottoposti alcuni pazienti, per vedere se il cuore e i vasi stampati rispondevano allo stesso modo. Alcuni pazienti avevano ricevuto impianti di valvole progettati per allargare l’aorta. Roche e i suoi colleghi hanno impiantato valvole simili nelle aorte stampate sul modello di ciascun paziente. Quando hanno attivato il cuore stampato per pompare, hanno osservato che la valvola impiantata produceva flussi simili a quelli dei pazienti reali dopo l’impianto chirurgico. Infine, il team ha utilizzato un cuore stampato azionandolo per confrontare impianti di diverse dimensioni, in modo tale da valutare quale sarebbe risultato il più adatto e quale sarebbe stato il flusso migliore – qualcosa che i medici potrebbero potenzialmente fare per i loro pazienti, in futuro.
“I pazienti si sottoporrebbero a un esame di imaging, che fanno comunque, e noi lo useremmo per realizzare questo sistema, idealmente, in giornata”, dice il coautore Nyugen. “Una volta pronto e funzionante, i medici potrebbero testare diversi tipi e dimensioni di valvole e vedere quale funziona meglio, per poi utilizzarla per l’impianto”.
In definitiva, secondo Roche, le repliche specifiche per il paziente potrebbero aiutare a sviluppare e identificare trattamenti ideali per individui con geometrie cardiache uniche e difficili. “Progettare in modo inclusivo per un’ampia gamma di anatomie e testare gli interventi in questa gamma può aumentare la popolazione di riferimento per le procedure minimamente invasive”, afferma Roche. I risultati dello studio sono stati pubblicati su Science Robotics.
