La stampa 3D è stata studiata da diverse istituzioni come metodo per aiutare in un processo chiamato sostituzione della valvola aortica transcatetere, o TAVR. Più di una persona su otto di età pari o superiore a 75 anni negli Stati Uniti sviluppa un blocco da moderato a grave della valvola aortica, spesso causato da depositi calcificati che si accumulano sui volantini della valvola e impediscono loro di aprirsi e chiudersi completamente. Molti di questi pazienti non sono abbastanza sani da sottoporsi a un intervento chirurgico a cuore aperto, quindi il TAVR è un’alternativa che prevede l’attivazione di una valvola artificiale tramite un catetere inserito nell’aorta.
L’inserimento della valvola dimensionata correttamente è fondamentale; se la valvola è troppo piccola, può sloggiare o perdere intorno ai bordi, e se è troppo grande può strappare il cuore, il che può essere fatale. È una sfida selezionare le dimensioni corrette senza esaminare direttamente il cuore del paziente, comunque. Ma i ricercatori dell’Istituto Wyss di Biologically Inspired Engineering della Harvard University hanno elaborato un flusso di lavoro di stampa 3D che crea modelli di valvole aortiche dei singoli pazienti utilizzando i dati della scansione CT, oltre a un dispositivo “sizer” che aiuta i cardiologi a determinare la valvola appropriata taglia. Il lavoro è documentato in un documento intitolato ” Prove di adattamento pre-procedurali delle valvole TAVR usando la modellazione parametrica e la stampa 3D.”La ricerca è stata condotta in collaborazione con ricercatori e medici del Brigham and Women’s Hospital, dell’Università di Washington, del Massachusetts General Hospital e del Max Planck Institute of Colloids and Interfaces.
“Se acquisti un paio di scarpe online senza prima provarle, ci sono buone probabilità che non si adattino correttamente. Il dimensionamento delle valvole TAVR sostitutive pone un problema simile, in quanto i medici non hanno l’opportunità di valutare come una misura specifica della valvola si adatti all’anatomia del paziente prima dell’intervento chirurgico “, ha dichiarato James Weaver, Ph.D., ricercatore senior presso la Wyss Institute che è un autore corrispondente del documento. “Il nostro sistema integrato di stampa 3D e dimensionamento delle valvole fornisce un rapporto personalizzato sull’eccezionale forma della valvola aortica di ogni paziente, eliminando gran parte delle congetture e aiutando ogni paziente a ricevere una valvola di dimensioni più precise.”
Quando un paziente ha bisogno di una nuova valvola cardiaca, in genere ottiene una scansione TC, ma mentre la parete esterna dell’aorta e qualsiasi deposito calcificato sono facilmente visibili su una scansione, i foglietti che aprono e chiudono la valvola sono spesso troppo sottili per mostrare chiaramente.
“Dopo aver eseguito una ricostruzione 3D dell’anatomia del cuore, spesso sembra che i depositi calcificati stiano semplicemente fluttuando all’interno della valvola, fornendo poca o nessuna intuizione su come una valvola TAVR dispiegata interagirebbe con loro”, ha detto il dott. Weaver.
Per affrontare questo problema, Ahmed Hosny, che era un ricercatore al Wyss Institute al tempo, ha creato un programma software che utilizza la modellazione parametrica per generare modelli 3D virtuali dei volantini usando sette coordinate sulla valvola di ogni paziente che sono visibili sulle scansioni CT . I modelli 3D sono stati quindi uniti ai dati CT e adattati in modo da adattarsi correttamente alla valvola. Il modello risultante, che incorpora i volantini e i loro depositi calcificati, è stato quindi stampato in 3D in più materiali.
I ricercatori hanno inoltre stampato in 3D un dispositivo sizer personalizzato che si adatta all’interno della valvola stampata in 3D e si espande e si contrae per determinare quale valvola artificiale di dimensioni si adatta meglio a ciascun paziente. Hanno quindi avvolto il misuratore con un sottile strato di pellicola sensibile alla pressione per mappare la pressione tra il misuratore e le valvole stampate in 3D e i relativi depositi calcificati associati, espandendo gradualmente il misuratore.
“Abbiamo scoperto che le dimensioni e la posizione dei depositi calcificati sui volantini hanno un grande impatto sul modo in cui una valvola artificiale si inserirà in uno calcificato”, ha detto Hosny, che è attualmente al Dana-Farber Cancer Institute . “A volte, non c’era proprio modo che una valvola TAVR sigillasse completamente una valvola calcificata, e quei pazienti potrebbero effettivamente stare meglio ottenendo un intervento a cuore aperto per ottenere un risultato migliore.”
I modelli di valvole multi-materiale con stampa 3D potrebbero anche simulare in modo più accurato il comportamento delle valvole a cuore reale durante lo schieramento artificiale delle valvole, oltre a fornire feedback tattile man mano che il misuratore viene espanso. I ricercatori hanno testato il sistema contro i dati di 30 pazienti che avevano già subito procedure TAVR. 15 di quei pazienti avevano sviluppato perdite da valvole troppo piccole. I ricercatori hanno previsto, in base al modo in cui il misuratore si adattava ai modelli stampati in 3D delle loro valvole aortiche, a quale dimensione doveva essere ricevuta ciascuna paziente e se avrebbero subito perdite dopo la procedura. Il sistema ha previsto con successo un risultato di perdita nel 60-73% dei pazienti, a seconda del tipo di valvola che ogni paziente aveva ricevuto, e ha determinato che il 60% dei pazienti aveva ricevuto la valvola correttamente dimensionata.
“Essere in grado di identificare i pazienti a rischio intermedio ea basso rischio la cui anatomia della valvola cardiaca dà loro una maggiore probabilità di complicazioni da TAVR è fondamentale, e non abbiamo mai avuto un modo non invasivo per determinarlo accuratamente prima”, ha detto il coautore Beth Ripley, MD, Ph.D, un assistente professore presso il Dipartimento di Radiologia presso l’ Università di Washington, che era un Cardiovascolare Imaging Fellow a Brigham and Women’s Hospital quando lo studio è stato fatto. “Quei pazienti potrebbero essere meglio serviti chirurgicamente, poiché i rischi di un risultato TAVR imperfetto potrebbero superare i suoi benefici”.
I ricercatori hanno reso disponibili gratuitamente online il loro software di modellazione di volantini e il protocollo di stampa 3D.
“Al centro della sfida della medicina personalizzata c’è la consapevolezza che un trattamento medico non servirà tutti i pazienti ugualmente bene, e che le terapie dovrebbero essere personalizzate per l’individuo, ha detto il direttore fondatore del Wyss Institute Donald Ingber, MD, Ph.D., che è anche professore di biologia vascolare presso la Harvard Med’ical School e il programma di biologia vascolare presso il Boston Children’s Hospital, nonché professore di bioingegneria presso la facoltà di ingegneria e scienze applicate di Harvard. Questo principio si applica ai dispositivi medici e ai farmaci, ed è eccitante vedere come la nostra comunità stia innovando in questo spazio e tentando di tradurre nuovi approcci personalizzati dal laboratorio alla clinica. “
