Studio delle comete polmonari in relazione alle patologie che le generano

La crescente richiesta di assistenza sanitaria da parte di una popolazione sempre più vecchia, la progressiva diversificazione stessa hanno portato nell’ultimo decennio ad un importante sviluppo di materiali biocompatibili e biomimetici, alla realizzazione di complessi sistemi software e alla produzione di tecnologia medica sempre più efficace e capace di supportare l’aspettativa di specializzazione dell’ospedale. In questo ambito si inserisce l’ingegneria biomedica che opera in diversi settori, quali quello scientifico, clinico, industriale e ospedaliero. L’obiettivo che la scienza medica si pone è duplice: il miglioramento delle conoscenze relative al funzionamento dei sistemi biologici e lo sviluppo di nuove metodologie e dispositivi diagnostici, terapeutici e riabilitativi. Gli ultrasuoni, applicati alla diagnostica clinica, rappresentano una metodologia di base dell’ingegneria biomedica che ha consentito, analogamente a quanto si era verificato con i raggi x, ad ottenere immagini di strutture interne al corpo umano. In particolare, l’utilizzo di sistemi d’imaging ultrasonico ha portato il medico nella condizione di poter visualizzare aspetti anatomici e funzionali in pazienti patologici senza dover ricorrere a interventi invasivi e costosi. Cuore e polmoni sono organi essenziali per la vita, e oggi le patologie ad essi correlate rappresentano una delle principali cause di decesso nel mondo. Il maggiore responsabile delle patologie polmonari e cardiovascolari è l’inquinamento dell’aria che ci circonda (smog, sigarette etc..), ma non è il solo. Vi sono inoltre cause virali, genetiche, nutrizionali o ambientali che facilitano l’insorgenza di malattie all’apparato respiratorio e cardiaco. Questo implica che ciascuna malattia richiede approcci mirati a seconda della natura, sia dal punto di vista diagnostico che terapeutico. Una rapida diagnosi nei pazienti con scompenso cardiaco, ad esempio, è importante in quanto, ogni ritardo nell’instaurare una terapia adeguata ne aumenta la mortalità; una corretta diagnosi evita inoltre terapie inutili o potenzialmente dannose. Il lavoro di questa tesi si è rivolto allo studio di artefatti che si presentano durante l’esame ecografico del polmone, definite come B-lines (che da ora in poi verranno indicate comete polmonari). Questi artefatti sono direttamente correlati all’accumulo di acqua extravascolare, all’interno del parenchima e degli alveoli. Le comete ultrasonore polmonari sono un segno ecografico ampiamente studiato. Le ricerche pionieristiche su tali segni hanno dimostrato essere collegate all’imbibizione alveolare ed interstiziale del polmone. Nel caso di una valutazione dello scompenso cardiaco, la presenza di acqua polmonare extravascolare è un fattore di riconosciuta importanza diagnostica e prognostica. La possibilità di fare una diagnosi precoce può prevenire in alcuni casi e in altri rallentare l’evolversi della patologia, attraverso una pronta terapia potenzialmente salvavita. È stato dimostrato che la manifestazione delle comete da imaging ultrasonico polmonare è dovuta alla presenza di acqua, come nell’edema polmonare, o di tessuto connettivo fibroso ispessito dell’interstizio polmonare. Lo studio di questo lavoro di tesi parte dalla riproduzione delle comete polmonari in laboratorio sotto uno stretto controllo dei parametri ambientali ed ha visto l’utilizzo di repliche sintetiche di parenchima polmonare. Per replicare il parenchima tissutale sono state realizzate differenti matrici spugnose di biopolimero processato secondo tecniche di “freeze-drying”. Variando il grado di reticolazione e temperatura di sintesi, sono stati prodotti diversi campioni di spugne con diversa elasticità e porosità al fine di simulare il tessuto polmonare connettivo e tessuto polmonare fibroso .Una volta realizzati i costrutti spugnosi, a questi è stata trasmessa una vibrazione in direzione perpendicolare al fascio ecografico. Sono state poi riprodotte le comete ultrasoniche sui supporti attraverso la deposizione di volumi d’acqua sulla superficie delle spugne. La ricaptazione della eco prodotta da tale discontinuità ha dato vita alla riproduzione del fenomeno, sempre visto in vivo, in vitro. Il materiale spugnoso è risultato adatto alla replicazione del tessuto polmonare in quanto si è dimostrato sufficientemente efficiente per la riproduzione del fenomeno ecografico. Un ulteriore fase di studio è stata quella di acquisire piccoli filmati delle comete polmonari per valutare il comportamento delle onde ultrasonore al variare della densità della soluzione del liquido interstiziale e della durezza della matrice. L’aumento della rigidità della matrice è stata realizzata al fine di simulare l’aumento della fibrosità dell’alveolo polmonare, e quindi di riprodurre il segno ecografico (cometa) di presunta origine pneumogena. Una volta collezionate tutte le clips/immagini delle comete, sono state analizzate da un software sviluppato presso IFC-CNR proprio per fornire una stima della gravità della patologia essendo stata già verificata una sorta di correlazione fra presenza di comete e il numero di queste. Sfruttando il fenomeno delle comete polmonari il software è in grado di predire la loro natura pneumogena o cardiogena, mediante modelli auto-organizzanti di conoscenza (Knowledge – Based Models, KBM). Grazie all’osservazione dell’immagini e ai dati da esse estratti, è stato possibile confermare le ipotesi generate all’inizio del nostro studio: l) la replicazione tissutale tramite spugne di polimero permette di riprodurre le “comete ultrasonore polmonari e 2) l’aumento di rigidità della matrice (o della viscosità del fluido interstiziale) produce una variazione morfologica e cinetica della cometa. Variando la soluzione usata per simulare il liquido interstiziale (acqua deionizzata in un caso e soluzione gelatinosa nel secondo caso) aumenta l’intensità della cometa. All’indagine ecografica le comete generate su spugne reticolate con minor cross-linkante (maggiore elasticità della matrice) e idratate con acqua deionizzata (simulanti la patologia di origine cardiogena) sono risultate avere una minore intensità La definizione degli insiemi delle comete simili, fatta per mezzo del software iULC, ha prodotto risultati coerenti al 100% a quanto atteso dall’utilizzo di modelli tissutali sperimentali preparati nel corso del lavoro di tesi. Il presente lavoro si è dimostrato utile per apportare notevoli migliorie al software di analisi delle immagini iULC in quanto sono modelli netti rappresentanti le patologie di origine cardiogena e pneumogena e generano immagini prive di rumore. Sulla base di queste informazioni si potrà in futuro sviluppare un software automatizzato per definire la patologia del paziente che presenta comete polmonari. La prossima sfida è quella di rendere oggettiva e affidabile la diagnosi mediante la progettazione e la realizzazione di un ecografo specializzato per la valutazione dell'origine dell'acqua polmonare nei pazienti. Questo potrà consentire il monitoraggio di pazienti in maniera più efficiente, trasmettendo in tempo utile informazioni cliniche rilevanti