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La meccanica delle lesioni da esplosione
Gli scienziati hanno scoperto un meccanismo alla base del tipo di lesione cerebrale che i soldati spesso subiscono a causa delle esplosioni lungo le strade in Iraq e in Afghanistan. Il lavoro potrebbe indicare la strada verso un trattamento precoce per queste lesioni acute da esplosione identificando potenziali bersagli farmacologici.
Due nuovi documenti dal Gruppo di biofisica delle malattie presso la School of Engineering and Applied Sciences di Harvard e il Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering, guidato da Kevin Kit Parker, utilizzano tecniche di ingegneria tissutale per modellare gli effetti fisici e biochimici della lesione cerebrale traumatica (TBI) nel cervello e nei vasi sanguigni. Parker afferma che il lavoro rappresenta un primo passo verso un trauma cranico su un chip che potrebbe essere utilizzato per lo screening dei farmaci per curare i soldati feriti da esplosione prima che si manifestino danni a lungo termine.
Il trauma cranico indotto da esplosioni di ordigni esplosivi improvvisati e granate con propulsione a razzo è la lesione più comune tra i soldati in Iraq e in Afghanistan. Anche un trauma cranico lieve è una lesione insidiosa, perché danneggia il cervello in modi che non sono immediatamente evidenti e che attualmente i medici possono fare ben poco per curare. Si crede comunemente che la lesione danneggi il cervello allungando i neuroni fino al loro punto di rottura, strappando piccoli fori nella membrana cellulare che alla fine uccidono le cellule. Ma Parker afferma che il suo team ha scoperto che non era necessario danneggiare la membrana per indurre lesioni simili a TBI nella cellula.
Entrambi i documenti si concentrano sulle integrine, un tipo di proteina della membrana cellulare che traduce le forze meccaniche della lesione in cambiamenti interni nella cellula. I ricercatori hanno sottoposto le cellule a forze brevi e improvvise. Tali sistemi sono stati utilizzati in passato, ma il team di Parker ha utilizzato forze che non erano abbastanza potenti da strappare fisicamente la cellula. Hanno scoperto che questo potrebbe causare gli stessi tipi di cambiamenti strutturali sia nei neuroni che nelle cellule dei vasi sanguigni come quelli osservati nel cervello delle persone con trauma cranico.
David Hovda , che dirige il Brain Injury Research Center presso l'Università della California a Los Angeles, afferma che gli studi porteranno le persone che hanno lavorato sul trauma cranico a pensare a queste lesioni in un modo nuovo. Ritiene inoltre che i risultati potrebbero potenzialmente applicarsi a persone con altri tipi di lesioni cerebrali, sebbene la differenza tra esplosioni e altri traumi sia attualmente controversa. Tuttavia, Hovda afferma che, come altri studi su cellule isolate, possono o meno catturare ciò che sta accadendo nel cervello. Il trauma è la forma più complicata di lesione e il cervello è l'organo più complicato, dice. Dice che ulteriori studi e autopsie sui soldati feriti devono essere condotti per comprendere gli effetti delle esplosioni nel cervello umano.
In uno dei giornali, pubblicato oggi in PLoS One , i ricercatori hanno attaccato perline magnetiche a complessi di integrine che agiscono come una sorta di ancoraggio strutturale nelle cellule, lungo gli assoni dei neuroni. Hanno scoperto che solo una piccola forza applicata alle perline era necessaria per ferire gli assoni. Inoltre, le forze su una perlina si propagherebbero attraverso lo scheletro della cellula verso un altro assone, provocando la rottura o la lesione dell'assone distante. Parker afferma che la propagazione delle forze attraverso i neuroni spiega perché il danno agli assoni può essere visto anche lontano dal sito della lesione nel cervello umano.
L'altro documento, pubblicato la scorsa settimana in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , mostra che le integrine possono anche mediare un problema chiamato vasospasmo cerebrale, un restringimento delle aperture dei vasi sanguigni che inizia giorni o mesi dopo una lesione da esplosione. Parker spiega che mentre il vasospasmo può verificarsi quando i vasi sanguigni si rompono e sanguinano, a volte non c'è sanguinamento e deve essere in gioco un altro processo. Il suo team ha ingegnerizzato le arterie dalle cellule dei vasi sanguigni e ha studiato gli effetti dell'allungamento simile a un'esplosione. Abbiamo scoperto che entro 24 ore, l'esplosione aveva indotto l'attivazione di un interruttore genetico, dice. Ciò crea cambiamenti chimici e fisici caratteristici delle cellule nel vasospasmo cerebrale.
Sia nei neuroni che nelle cellule dei vasi sanguigni, il trattamento delle cellule con un farmaco che inibisce una proteina attivata dalle integrine ha ridotto il danno. Parker crede che prendere di mira questo o simili percorsi chimici potrebbe essere un modo per curare i soldati subito dopo le esplosioni, al fine di prevenire alcuni degli effetti biochimici più lenti che derivano dal trauma iniziale.
Parker, un maggiore dell'esercito americano che ha prestato servizio in Afghanistan, normalmente lavora su altri problemi di biofisica ma è stato coinvolto nel progetto dopo aver trascorso del tempo su un campo di battaglia con il colonnello Geoffrey Ling, un neurologo dell'esercito americano specializzato in traumi cerebrali; Ling è ora un program manager presso la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), dove dirige gli sforzi per finanziare la ricerca sulla scienza del trauma cranico. Perché è molto difficile sapere cosa sta succedendo nel cervello dei soldati feriti, dice Parker, abbiamo bisogno di un altro modo di studiare il problema: se non costruisci modelli per esplosioni IED, allora sarà difficile convincere le persone a entrare in questo campo.