Premium
Nu este niciun secret că plămânii joacă un rol vital în viața noastră de zi cu zi – asigurându-ne că putem respira, că ne putem apăra de infecții și ne putem adapta la diverse provocări. În ciuda importanței lor, aceste organe încă îi nedumeresc pe mulți experți în sănătate, mai ales atunci când sunt afectate de boli, potrivit 360medical.ro
În timp ce instrumentele tradiționale, cum ar fi RMN-ul și tomografia computerizată, sunt utile atunci când un pacient se confruntă cu o boală legată de plămâni, acestea pot fi insuficiente în ceea ce privește furnizarea unor informații detaliate, în timp real, necesare pentru a înțelege complexitatea sănătății plămânilor.
Acum, o nouă tehnologie de pionierat ar putea fi utilizată pentru a studia aproape toate bolile pulmonare care afectează alveolele (sacii de aer), cum ar fi cancerul, metastazele, pneumonia, fibroza și emfizemul.
Intră în scenă inovația revoluționară cunoscută sub numele de „cutia toracică de cristal”.
Dezvoltată de cercetătorii de la Colegiul de Inginerie, Centrul Pulmonar, Centrul pentru Mecanobiologie Multiscale și Translațională și Centrul de Neuroftonică al Universității din Boston, Statele Unite, tehnologia este pe cale să revoluționeze nu numai înțelegerea funcției pulmonare, ci deține, de asemenea, un potențial imens pentru alte organe și tratamente, susține echipa de cercetare.
În noile cercetări, publicate luna aceasta în revista Nature Methods, cutia toracică de cristal acționează ca un scut transparent și protector pentru plămânii unui șoarece, permițând oamenilor de știință să vadă îndeaproape modul în care funcționează aceste organe în timp real și la nivel celular.
Ceea ce face ca această tehnologie să fie specială este faptul că nu perturbă procesele naturale ale plămânilor – respirația și circulația sângelui continuă ca de obicei în timp ce cercetătorii observă activitatea celulelor pulmonare.
Cutia toracică de cristal poate fi utilizată pentru a studia aproape toate bolile pulmonare care afectează alveolele (sacii de aer), cum ar fi cancerul, metastazele, pneumonia, fibroza și emfizemul. Credit: dr. Hadi Nia, autorul principal al studiului din revista Nature Methods
Principala provocare evidențiată în cercetare atunci când vine vorba de înțelegerea sănătății plămânilor
Plămânul este sediul multor patologii fatale, cum ar fi cancerele primare și metastatice, infecțiile respiratorii și bolile obstructive și restrictive care au un impact asupra funcțiilor sale la nivel celular.
Cu modalitățile de imagistică existente, cum ar fi RMI/RMN, CT și analizele histologice, nu pot fi rezolvate evenimentele dinamice ale unei singure celule în stadiile incipiente ale progresiei bolii, precum interacțiunile celulelor imune cu celulele canceroase și bacteriile.
Cu ajutorul cutiei toracice de cristal, cercetătorii au putut pentru prima dată să vizualizeze plămânul de șoarece până la nivel celular, în timp ce acesta își păstrează funcțiile fiziologice, cum ar fi respirația, circulația sângelui și activitatea imunitară.
„Acum suntem capabili să studiem multe boli pulmonare în cele mai timpurii etape de inițiere a bolii, explică dr. Hadi Nia, autorul principal al studiului”.
Ea a explicat ]n ce fel diferă cutia toracică de cristal de metodele tradiționale, cum ar fi RMN și CT, atunci când vine vorba de studierea plămânilor.
Tehnologiile RMN și CT permit vizualizarea întregului plămân, dar rezoluția lor spațială și temporală este scăzută, iar sacii de aer individuali (cunoscuți sub numele de alveole), capilarele individuale și evenimentele celulare, cum ar fi migrația celulelor imune și canceroase, nu pot fi rezolvate.
Pe de altă parte, cutia toracică de cristal permite utilizarea microscopiei optice prin înlocuirea cutiei toracice actuale, alcătuită din os și mușchi, care blochează lumina, cu o coastă transparentă realizată din materiale biocompatibile.
Imagistica în timp real a transportului vascular la rezoluția alveolară în condiții de sănătate și boală, utilizând o cutie toracică de cristal. Credit: Nature Methods, 2023).
Întrucât cutia toracică de cristal are aceeași geometrie și proprietăți materiale ca și o coasta rnaturală, plămânul își poate păstra funcțiile fiziologice în timp ce este vizualizat cu ajutorul unui microscop optic.
Dacă se combină cu un microscop suficient de rapid, evenimentele dinamice, cum ar fi traficul celular și fluxul sanguin, pot fi vizualizate în timp real atunci când plămânul este în acțiune.
Practic, această tehnologie deschide „cutia neagră” (secretele) a plămânului în ceea ce privește starea de sănătate și boală și oferă imagini în timp real ale plămânului care nu au fost văzute niciodată până acum.
Cum funcționează cutia toracică de cristal pentru a permite observarea îndeaproape a plămânilor unui șoarece
Designul cutiei toracice de cristal se bazează pe tehnica microCT – o tehnică de imagistică 3D care utilizează raze X pentru a vedea interiorul unui obiect, felie cu felie – de vizualizare a cutiei toracice native de șoarece pentru a se asigura că plămânul poate funcționa fiziologic în interiorul cutiei toracice de cristal.
Plămânul din interiorul cutiei toracice de cristal este ventilat fie prin presiune pozitivă pentru a simula ventilația mecanică, fie cu presiune negativă pentru a simula respirația spontană.
Plămânul este, de asemenea, pus în circulație cu mediu sau sânge pentru a furniza nutrienți celulelor pulmonare.
Cutia toracică de cristal este apoi plasată pe platoul microscopului și plămânul este vizualizat la rezoluția de interes.
În plus față de capacitățile de imagistică pe care le oferă cutia toracică de cristal, cercetătorii pot interveni în multe moduri în respirație sau circulație, cum ar fi adăugarea de medicamente sau modificarea parametrilor fiziologici pulmonari (de exemplu, simularea exercițiilor fizice prin creșterea ritmului și a profunzimii respirației), pentru a studia modificările ulterioare ale structurii-funcției pulmonare.
Această controlabilitate, atunci când este combinată cu capacitățile de imagistică, face din cutia toracică de cristal o tehnologie transformatoare pentru a studia multe boli pulmonare cheie.
În afară de cercetarea plămânilor, ce alte organe ar putea beneficia de aplicarea tehnologiei Cutiei toracice de cristal – Crystal Ribcage?
Echipa a utilizat cutia toracică de cristal pentru a obține imagini ale inimii împreună cu plămânii la presiuni vasculare ridicate.
Astfel de experimente vor permite în viitor cercetarea și măsurarea relației circulație-respirație în boli precum hipertensiunea pulmonară sau aritmia.
Având în vedere succesul și entuziasmul pe care l-a generat, direcțiile viitoare ale laboratorului condus de dr. Hadi Nia includ transpunerea unor idei similare la creier prin fabricarea unui „craniu de cristal” pentru a vizualiza întregul creier în acțiune.
Tehnologia cutiei toracice de cristal ar putea să avanseze studiile legate de transplanturile de organe și medicina regenerativă
Cutia toracică de cristal ar putea face asta, în două moduri, explică dr. Nia:
- Furnizând un mediu fiziologic pentru transplant sau pentru țesutul modificat, în care eșantionul poate fi vizualizat la rezoluție celulară în timp real.
- Permițând intervenția prin modificarea parametrilor fiziologici, administrarea de agenți terapeutici și monitorizarea sănătății ulterioare a plămânului.
Imagine microscopică de la lobul întreg până la alveole individuale a plămânului sub ventilație cu presiune negativă în cutia toracică de cristal. Credit: Nature Methods, 2023
De exemplu, există cercetări active cu privire la cât timp putem menține plămânul uman viabil între operațiile de donare-recepție, spune dr. Nia
Acest timp, în prezent de 6-8 ore, dacă este prelungit, poate fi extrem de valoros, deoarece permite stocarea și transportul organului către alte locuri de transplant.
„Cutia noastră toracică de cristal permite monitorizarea plămânului ex vivo la rezoluție optică și, prin urmare, permite cercetătorilor să înțeleagă mai bine de ce plămânul uman nu poate fi menținut în afara corpului mai mult de 6-8 ore”, explică dr. Nia.
Un alt exemplu, spune ea, există o linie de cercetare activă privind ingineria țesuturilor pulmonare. În ciuda progreselor înregistrate în ceea ce privește ingineria plămânului, nu există o modalitate fiabilă de evaluare a funcției plămânului.
Cutia toracică de cristal oferă această evaluare la nivel celular, permițând în același timp ca plămânul proiectat să funcționeze într-un mediu fiziologic.
Cum contribuie cutia toracică de cristal la o mai bună înțelegere a bolilor, dezvoltării și îmbătrânirii plămânilor
Tehnologia permite obținerea de imagini tridimensionale (3D) pe întreaga suprafață a plămânului, combinând în același timp în mod unic avantajele modelelor de șoareci in vivo (diversitate celulară, arhitectură pulmonară 3D, respirație și circulație) și ale modelelor de organe pe cip in vitro (avantaje imagistice și control extins și precis asupra microfiziologiei).
„Practic, putem vedea cum progresia bolii și îmbătrânirea afectează structura-funcția plămânului la rezoluția unei singure celule și în timp real”, accentueaz[ dr. Nia.
Echipa a utilizat cutia toracică de cristal pentru a sonda remodelarea funcțiilor alveolare și capilare în modele de șoareci de cancer pulmonar primar și metastatic, infecție bacteriană, fibroză pulmonară, emfizem și leziuni pulmonare acute.
Astfel, cercetătorii au putut identifica stadiul cel mai timpuriu al tumorigenezei, când funcțiile structurii alveolare sunt compromise, au sondat funcțiile circulatorii dinamice ale capilarelor remodelate de creșterea tumorală și de pneumonie și au demonstrat o mecano-reactivitate dramatică și reversibilă în migrația celulelor imune în plămân, explică cercetătoarea.
„Oferind un alt exemplu, este bine cunoscut faptul că îmbătrânirea este un factor de risc major pentru pneumonie. Cu toate acestea, nu știm exact de ce. În colaborare cu cercetători de la Centrului pulmonar, utilizăm acum cutia toracică de cristal pentru a înțelege mai bine modul în care îmbătrânirea poate afecta progresia sau rezolvarea pneumoniei”, a mai menționat cercetătoarea.
