La ricerca sulle malattie neurodegenerative, come l’Alzheimer, il Parkinson e la sclerosi multipla, ha compiuto un passo da gigante grazie alla collaborazione tra scienziati che hanno creato il primo “fantasma cerebrale” stampato in 3D al mondo. Questo modello, realizzato con una tecnica speciale di risonanza magnetica (dMRI), mira a migliorare l’accuratezza del software di analisi dMRI attraverso l’utilizzo di questi modelli cerebrali dettagliati.
Il progetto congiunto tra la MedUni Vienna e la TU Wien ha portato alla creazione di un modello che riproduce la struttura delle fibre cerebrali e che può essere analizzato utilizzando una variante speciale della risonanza magnetica (dMRI). Come dimostrato da uno studio condotto da un team scientifico guidato dalla MedUni Vienna e dalla TU Wien, questi modelli cerebrali possono essere utilizzati per avanzare nella ricerca sulle malattie neurodegenerative. I risultati del lavoro di ricerca sono stati pubblicati sulla rivista Advanced Materials Technologies.
La risonanza magnetica (MRI) è una tecnica di imaging diagnostico ampiamente utilizzata, principalmente per esaminare il cervello. La MRI permette di esaminare la struttura e la funzione del cervello senza l’uso di radiazioni ionizzanti. Nella variante speciale della MRI, la dMRI, è possibile determinare anche la direzione delle fibre nervose nel cervello. Tuttavia, è molto difficile determinare correttamente la direzione delle fibre nervose nei punti di incrocio dei fasci di fibre nervose, dove le fibre con direzioni diverse si sovrappongono.
Per migliorare ulteriormente il processo e testare i metodi di analisi e valutazione, un team internazionale in collaborazione con la MedUni Vienna e la TU Wien ha sviluppato un cosiddetto “fantasma cerebrale”, prodotto utilizzando un processo di stampa 3D ad alta risoluzione.
I ricercatori della MedUni Vienna, esperti in MRI, e della TU Wien, esperti in stampa 3D, hanno lavorato a stretto contatto con colleghi dell’Università di Zurigo e del Centro Medico Universitario di Amburgo-Eppendorf. Già nel 2017, alla TU Wien è stata sviluppata una stampante per polimerizzazione a due fotoni che consente una stampa su larga scala.
In questo contesto, è stato anche lavorato sui fantasmi cerebrali come caso d’uso insieme alla MedUni Vienna e all’Università di Zurigo. Il brevetto risultante costituisce la base per il fantasma cerebrale ora sviluppato e supervisionato dal team di Supporto alla Ricerca e al Trasferimento della TU Wien.
Visivamente, questo fantasma non ha molto a che fare con un vero cervello. È molto più piccolo e ha la forma di un cubo. All’interno ci sono microcanali estremamente fini, riempiti d’acqua, delle dimensioni di singoli nervi cranici. I diametri di questi canali sono cinque volte più sottili di un capello umano. Per imitare la fine rete di cellule nervose nel cervello, il team di ricerca guidato dagli autori principali Michael Woletz (Centro per la Fisica Medica e l’Ingegneria Biomedica, MedUni Vienna) e Franziska Chalupa-Gantner (gruppo di ricerca sulla Stampa 3D e Biofabbricazione, TU Wien) ha utilizzato un metodo di stampa 3D piuttosto insolito: la polimerizzazione a due fotoni.
Questo metodo ad alta risoluzione è utilizzato principalmente per stampare microstrutture nell’intervallo di nanometri e micrometri – non per stampare strutture tridimensionali nell’intervallo di millimetri cubici. Per creare fantasmi di dimensioni adatte per la dMRI, i ricercatori della TU Wien hanno lavorato all’ingrandimento del processo di stampa 3D e all’abilitazione della stampa di oggetti più grandi con dettagli ad alta risoluzione. La stampa 3D altamente scalata fornisce ai ricercatori modelli molto buoni che – quando osservati sotto dMRI – consentono di assegnare varie strutture nervose.
Michael Woletz paragona questo approccio al miglioramento delle capacità diagnostiche della dMRI al modo in cui funziona la fotocamera di un telefono cellulare: “Vediamo il maggior progresso nella fotografia con le fotocamere dei telefoni cellulari non necessariamente in nuove lenti migliori, ma nel software che migliora le immagini catturate. La situazione è simile con la dMRI: utilizzando il nuovo fantasma cerebrale sviluppato, possiamo regolare il software di analisi molto più precisamente e quindi migliorare la qualità dei dati misurati e ricostruire l’architettura neurale del cervello più accuratamente.”
La riproduzione autentica delle strutture nervose caratteristiche nel cervello è quindi importante per “addestrare” il software di analisi dMRI. L’uso della stampa 3D rende possibile creare design diversi e complessi che possono essere modificati e personalizzati. I fantasmi cerebrali rappresentano quindi aree nel cervello che generano segnali particolarmente complessi e quindi difficili da analizzare, come i percorsi nervosi che si incrociano.
Per calibrare il software di analisi, il fantasma cerebrale viene quindi esaminato utilizzando la dMRI, e i dati misurati vengono analizzati come in un vero cervello. Grazie alla stampa 3D, il design dei fantasmi è noto con precisione e i risultati dell’analisi possono essere verificati. La MedUni Vienna e la TU Wien sono state in grado di dimostrare che questo funziona come parte del lavoro di ricerca congiunto. I fantasmi sviluppati possono essere utilizzati per migliorare la dMRI, che può beneficiare la pianificazione delle operazioni e la ricerca sulle malattie neurodegenerative come l’Alzheimer, il Parkinson e la sclerosi multipla.
Nonostante la prova del concetto, il team si trova ancora di fronte a delle sfide. La sfida più grande al momento è l’ingrandimento del metodo: “L’alta risoluzione della polimerizzazione a due fotoni rende possibile stampare dettagli nell’intervallo di micro- e nanometri ed è quindi molto adatta per l’imaging dei nervi cranici. Allo stesso tempo, tuttavia, ci vuole un tempo corrispondentemente lungo per stampare un cubo di diversi centimetri cubici utilizzando questa tecnica”, spiega Chalupa-Gantner. “Pertanto, miriamo non solo a sviluppare design ancora più complessi, ma anche a ottimizzare ulteriormente il processo di stampa stesso.”
