Des millions de personnes dans le monde souffrent d'hydrocéphalie, ou d'une accumulation d'un excès de liquide céphalorachidien dans le cerveau, et qui a récemment reçu une plus grande attention lorsque Billy Joel a annoncé son diagnostic. Le traitement implique généralement le placement chirurgical des shunts pour détourner le liquide, mais cette procédure conduit souvent à des complications, des infections et des re-trainages multiples.
Les bio-génieurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (Seas) ont développé un nouveau modèle de calcul qui combine l'anatomie cérébrale, le flux de fluide et la dynamique de transport biomoléculaire pour simuler les performances de shunt avec précision. Leur objectif: aider à la création de shunts personnalisés qui sont adaptés à l'anatomie et aux besoins des patients spécifiques.
Le travail a été soutenu par le financement fédéral de la National Science Foundation et publié dans Actes de l'Académie nationale des sciences. Il a été dirigé par le camarade postdoctoral des Seas Haritosh Patel, qui travaille dans les laboratoires de Joanna Aizenberg, professeur de science des matériaux d'Amy Smith Berylson à la mer et professeur de chimie et de biologie chimique; et Venkatesh Murthy, le professeur de Sciences de la vie de Raymond Leo Erikson de biologie moléculaire et cellulaire et Paul J. Finnegan Directeur de la famille du Center for Brain Science.
Répéter les chirurgies dues à une infection ou à une obstruction
Des dizaines de milliers de procédures de shunt sont effectuées annuellement aux États-Unis – dont beaucoup sont des chirurgies répétées en raison des dispositifs insérés bloqués ou obstrués, ou du patient souffrant d'une infection.
« Certains patients âgés m'ont dit qu'ils avaient subi plus de 10 chirurgies – un tous les deux à trois ans », a déclaré Patel. « We really wanted to understand why this was happening, and we realized that many of these obstructions and infections were tied to shunt designs that didn't fully consider fluid dynamics as a fundamental part of their geometry. We noticed that the tubing geometry used in shunts closely resembles the kind of piping we rely on in household plumbing. While that simplicity has its advantages, we saw an opportunity to explore more creative, biomimetic solutions that better suit la complexité de l'environnement du cerveau. «
Poursuivant le problème du point de vue du matériau et de la conception, l'équipe a rapidement réalisé qu'il n'y avait pas de modèle d'écoulement de fluide universellement accepté pour l'espace du ventricule cérébral pour les guider. « D'accord, eh bien, nous ne pouvons pas tester nos appareils dans un modèle, alors pourquoi ne faisons-nous pas d'abord un meilleur modèle? » Dit Patel.
L'outil de calcul simule le flux de fluide dans le cerveau
Le résultat est leur outil de calcul, appelé cerveau, qui combine des caractéristiques anatomiques et physiologiques détaillées du cerveau pour simuler l'écoulement de l'écoulement du fluide céphalo-rachidien en présence d'implants shunt.
Le modèle intègre des données d'imagerie médicale spécifiques au patient ainsi qu'un flux induit par impulsion pour imiter la dynamique du liquide céphalo d'un patient, le tout pour offrir un aperçu de la conception optimale de shunt, du placement et même du choix de matériaux.
« Nous pensons que notre modèle, combiné à de nouvelles géométries et à l'amélioration des matériaux tels que des revêtements anti-bifouling développés dans mon laboratoire, pourrait conduire à une intégration plus fluide de dispositifs médicaux optimisés et spécifiques au patient dans le cerveau des patients, avec moins de probabilité de complications et une meilleure qualité de vie », a déclaré Aizenberg.
L'équipe de Harvard mène actuellement des études qui utilisent le modèle pour tester différentes conceptions de shunts et calculer leur efficacité.
L'équipe a été soutenue en partie par la Hydrocephalus Association, Hydrocephalus Canada, Hydrocephalus Society, Pediatric Hydrocephalus Foundation et Society Into Research for Hydrocephalus et Spina Bifida. La subvention NSF a été via le Harvard University Materials Research Science and Engineering Center en vertu de la récompense DMR-2011754.
