Nu este niciun secret că plămânii joacă un rol vital în viaţa noastră de zi cu zi - asigurându-ne că putem respira, că ne putem apăra de infecţii şi ne putem adapta la diverse provocări. În ciuda importanţei lor, aceste organe încă îi nedumeresc pe mulţi experţi în sănătate, mai ales atunci când sunt afectate de boli. În timp ce instrumentele tradiţionale, cum ar fi RMN-ul şi tomografia computerizată, sunt utile atunci când un pacient se confruntă cu o boală legată de plămâni, acestea pot fi insuficiente în ceea ce priveşte furnizarea unor informaţii detaliate, în timp real, necesare pentru a înţelege complexitatea sănătăţii 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 şi emfizemul.
Intră în scenă inovaţia revoluţionară cunoscută sub numele de „cutia toracică de cristal".
Dezvoltată de cercetătorii de la Colegiul de Inginerie, Centrul Pulmonar, Centrul pentru Mecanobiologie Multiscale şi Translaţională şi Centrul de Neuroftonică al Universităţii din Boston, Statele Unite, tehnologia este pe cale să revoluţioneze nu numai înţelegerea funcţiei pulmonare, ci deţine, de asemenea, un potenţial imens pentru alte organe şi tratamente, susţine echipa de cercetare.
În noile cercetări, publicate luna aceasta în revista Nature Methods, cutia toracică de cristal acţionează ca un scut transparent şi protector pentru plămânii unui şoarece, permiţând oamenilor de ştiinţă să vadă îndeaproape modul în care funcţionează aceste organe în timp real şi la nivel celular.
Ceea ce face ca această tehnologie să fie specială este faptul că nu perturbă procesele naturale ale plămânilor - respiraţia şi circulaţia 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 şi emfizemul. Credit: dr. Hadi Nia, autorul principal al studiului din revista Nature Methods
Principala provocare evidenţiată în cercetare atunci când vine vorba de înţelegerea sănătăţii plămânilor
Plămânul este sediul multor patologii fatale, cum ar fi cancerele primare şi metastatice, infecţiile respiratorii şi bolile obstructive şi restrictive care au un impact asupra funcţiilor sale la nivel celular.
Cu modalităţile de imagistică existente, cum ar fi RMI/RMN, CT şi analizele histologice, nu pot fi rezolvate evenimentele dinamice ale unei singure celule în stadiile incipiente ale progresiei bolii, precum interacţiunile celulelor imune cu celulele canceroase şi bacteriile.
Cu ajutorul cutiei toracice de cristal, cercetătorii au putut pentru prima dată să vizualizeze plămânul de şoarece până la nivel celular, în timp ce acesta îşi păstrează funcţiile fiziologice, cum ar fi respiraţia, circulaţia sângelui şi activitatea imunitară.
„Acum suntem capabili să studiem multe boli pulmonare în cele mai timpurii etape de iniţiere a bolii, explică dr. Hadi Nia, autorul principal al studiului".
Ea a explicat ]n ce fel diferă cutia toracică de cristal de metodele tradiţionale, cum ar fi RMN şi CT, atunci când vine vorba de studierea plămânilor.
Tehnologiile RMN şi CT permit vizualizarea întregului plămân, dar rezoluţia lor spaţială şi temporală este scăzută, iar sacii de aer individuali (cunoscuţi sub numele de alveole), capilarele individuale şi evenimentele celulare, cum ar fi migraţia celulelor imune şi 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 şi muşchi, care blochează lumina, cu o coastă transparentă realizată din materiale biocompatibile.
[ot-video][/ot-video]
Imagistica în timp real a transportului vascular la rezoluţia alveolară în condiţii de sănătate şi boală, utilizând o cutie toracică de cristal. Credit: Nature Methods, 2023).
Întrucât cutia toracică de cristal are aceeaşi geometrie şi proprietăţi materiale ca şi o coasta rnaturală, plămânul îşi poate păstra funcţiile 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 şi fluxul sanguin, pot fi vizualizate în timp real atunci când plămânul este în acţiune.
Practic, această tehnologie deschide „cutia neagră" (secretele) a plămânului în ceea ce priveşte starea de sănătate şi boală şi oferă imagini în timp real ale plămânului care nu au fost văzute niciodată până acum.
Cum funcţionează cutia toracică de cristal pentru a permite observarea îndeaproape a plămânilor unui şoarece
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 şoarece pentru a se asigura că plămânul poate funcţiona fiziologic în interiorul cutiei toracice de cristal.
Plămânul din interiorul cutiei toracice de cristal este ventilat fie prin presiune pozitivă pentru a simula ventilaţia mecanică, fie cu presiune negativă pentru a simula respiraţia spontană.
Plămânul este, de asemenea, pus în circulaţie cu mediu sau sânge pentru a furniza nutrienţi celulelor pulmonare.
Cutia toracică de cristal este apoi plasată pe platoul microscopului şi plămânul este vizualizat la rezoluţia de interes.
În plus faţă de capacităţile de imagistică pe care le oferă cutia toracică de cristal, cercetătorii pot interveni în multe moduri în respiraţie sau circulaţie, cum ar fi adăugarea de medicamente sau modificarea parametrilor fiziologici pulmonari (de exemplu, simularea exerciţiilor fizice prin creşterea ritmului şi a profunzimii respiraţiei), pentru a studia modificările ulterioare ale structurii-funcţiei pulmonare.
Această controlabilitate, atunci când este combinată cu capacităţile 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 obţine imagini ale inimii împreună cu plămânii la presiuni vasculare ridicate.
Astfel de experimente vor permite în viitor cercetarea şi măsurarea relaţiei circulaţie-respiraţie în boli precum hipertensiunea pulmonară sau aritmia.
Având în vedere succesul şi entuziasmul pe care l-a generat, direcţiile 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 acţiune.
Tehnologia cutiei toracice de cristal ar putea să avanseze studiile legate de transplanturile de organe şi medicina regenerativă
Cutia toracică de cristal ar putea face asta, în două moduri, explică dr. Nia:
- Furnizând un mediu fiziologic pentru transplant sau pentru ţesutul modificat, în care eşantionul poate fi vizualizat la rezoluţie celulară în timp real.
- Permiţând intervenţia prin modificarea parametrilor fiziologici, administrarea de agenţi terapeutici şi monitorizarea sănătăţii ulterioare a plămânului.
[ot-video][/ot-video]
Imagine microscopică de la lobul întreg până la alveole individuale a plămânului sub ventilaţie cu presiune negativă în cutia toracică de cristal. Credit: Nature Methods, 2023
De exemplu, există cercetări active cu privire la cât timp putem menţine plămânul uman viabil între operaţiile de donare-recepţie, spune dr. Nia
Acest timp, în prezent de 6-8 ore, dacă este prelungit, poate fi extrem de valoros, deoarece permite stocarea şi transportul organului către alte locuri de transplant.
„Cutia noastră toracică de cristal permite monitorizarea plămânului ex vivo la rezoluţie optică şi, prin urmare, permite cercetătorilor să înţeleagă mai bine de ce plămânul uman nu poate fi menţinut 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 ţesuturilor pulmonare. În ciuda progreselor înregistrate în ceea ce priveşte ingineria plămânului, nu există o modalitate fiabilă de evaluare a funcţiei plămânului.
Cutia toracică de cristal oferă această evaluare la nivel celular, permiţând în acelaşi timp ca plămânul proiectat să funcţioneze într-un mediu fiziologic.
Cum contribuie cutia toracică de cristal la o mai bună înţelegere a bolilor, dezvoltării şi îmbătrânirii plămânilor
Tehnologia permite obţinerea de imagini tridimensionale (3D) pe întreaga suprafaţă a plămânului, combinând în acelaşi timp în mod unic avantajele modelelor de şoareci in vivo (diversitate celulară, arhitectură pulmonară 3D, respiraţie şi circulaţie) şi ale modelelor de organe pe cip in vitro (avantaje imagistice şi control extins şi precis asupra microfiziologiei).
„Practic, putem vedea cum progresia bolii şi îmbătrânirea afectează structura-funcţia plămânului la rezoluţia unei singure celule şi în timp real", accentueaz[ dr. Nia.
Echipa a utilizat cutia toracică de cristal pentru a sonda remodelarea funcţiilor alveolare şi capilare în modele de şoareci de cancer pulmonar primar şi metastatic, infecţie bacteriană, fibroză pulmonară, emfizem şi leziuni pulmonare acute.
Astfel, cercetătorii au putut identifica stadiul cel mai timpuriu al tumorigenezei, când funcţiile structurii alveolare sunt compromise, au sondat funcţiile circulatorii dinamice ale capilarelor remodelate de creşterea tumorală şi de pneumonie şi au demonstrat o mecano-reactivitate dramatică şi reversibilă în migraţia 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 ştim exact de ce. În colaborare cu cercetători de la Centrului pulmonar, utilizăm acum cutia toracică de cristal pentru a înţelege mai bine modul în care îmbătrânirea poate afecta progresia sau rezolvarea pneumoniei", a mai menţionat cercetătoarea.
