La milza artificiale offre speranza per una diagnosi e un trattamento della sepsi più rapidi

Approfittando dei recenti progressi nella nanotecnologia e nella microfluidica, i ricercatori hanno compiuto progressi significativi verso un dispositivo che potrebbe essere utilizzato per rimuovere rapidamente gli agenti patogeni dal sangue dei pazienti con sepsi, una condizione potenzialmente pericolosa per la vita che si verifica quando un'infezione è distribuita in tutto il corpo tramite il flusso sanguigno.

Detergente per il sangue: Questo dispositivo utilizza la microfluidica e la nanotecnologia per rimuovere gli agenti patogeni dal sangue prima di restituirlo al corpo.

Il nuovo sistema agisce efficacemente come una milza artificiale, filtrando il sangue utilizzando nanosfere magnetiche progettate per aderire a microrganismi e tossine. Dopo che il sangue è stato rimosso e mescolato con le perline, viene fatto passare attraverso un dispositivo che utilizza un gradiente di campo magnetico per estrarre i germi legati alle nanoperle. Quindi il sangue viene restituito al corpo.

Ingegneri dell'Università di Harvard Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering , dove la tecnologia è in fase di sviluppo, sperano anche che il dispositivo sia in grado di identificare il microrganismo specifico che causa il problema, il che potrebbe aiutare i medici a determinare il trattamento antibiotico più efficace più rapidamente di quanto possano fare con i test diagnostici convenzionali.

In una conferenza scientifica alla Harvard Medical School la scorsa settimana, Donald Ingber , uno degli inventori della tecnologia e direttore del Wyss Institute, ha affermato che il suo gruppo è stato incoraggiato dai risultati preliminari dei test della terapia di pulizia del sangue nei ratti. L'istituto recentemente annunciato che avrebbe applicato denaro da un contratto da $ 9,25 milioni con l'Agenzia per i progetti di ricerca avanzata del Dipartimento della Difesa (DARPA) per aiutare ad accelerare la sua traduzione negli esseri umani come un nuovo tipo di terapia della sepsi.

La sepsi, che uccide milioni di persone in tutto il mondo ogni anno, si verifica quando le sostanze chimiche rilasciate dal corpo per combattere un'infezione nel flusso sanguigno innescano una risposta infiammatoria in tutto il corpo. I casi peggiori possono portare al fallimento di più organi. Poiché uno qualsiasi di una serie di organismi può causare il problema, a un paziente ritenuto affetto da sepsi viene solitamente somministrato un cosiddetto antibiotico ad ampio spettro mentre i medici coltivano il sangue nel tentativo di identificare lo specifico organismo responsabile in modo da poter prescrivere il antibiotico specifico che lo prenderà di mira. Questo processo può richiedere diversi giorni.

Ma l'antibiotico ad ampio spettro non sempre funziona e in molti casi l'emocoltura non riesce a identificare l'agente patogeno. Nel frattempo, ritardare la somministrazione del farmaco appropriato di poche ore può ridurre significativamente le possibilità di sopravvivenza di un paziente. Gli studi hanno dimostrato che ogni ora un paziente riceve l'antibiotico sbagliato, anche un antibiotico ad ampio spettro, la mortalità aumenta dal 5 al 9%, afferma Ingber.

La sepsi è anche uno dei principali killer di soldati in combattimento. Per affrontare questo problema, DARPA mira a sviluppare una terapia portatile simile alla dialisi che pulirebbe rapidamente il sangue che è stato rimosso dal corpo e poi lo restituirebbe. La tecnologia desiderata sarebbe in grado di rimuovere molti diversi tipi di agenti patogeni e funzionerebbe senza la necessità di anticoagulanti, che possono causare il dissanguamento di un guerriero ferito. I pazienti in dialisi di solito devono assumere anticoagulanti in modo che il loro sangue non si coaguli all'interno dei tubi della macchina per dialisi.

Per trovare ispirazione nell'affrontare questa sfida, Ingber e i suoi colleghi hanno preso in considerazione il sistema immunitario umano, in particolare una classe di proteine ​​nel sangue che si attaccano a microrganismi o tossine potenzialmente dannosi e li contrassegnano come bersagli per altre cellule immunitarie. Il gruppo ha ingegnerizzato geneticamente una di queste proteine, nota per legarsi a oltre 90 diversi agenti patogeni, inclusi batteri, funghi, virus, parassiti e tossine, in modo che funzioni come rivestimento per le nanosfere magnetiche, dando loro la capacità di raccogliere agenti infettivi nel flusso sanguigno.

Il sangue di un paziente viene fatto scorrere attraverso un dispositivo esterno che contiene un sistema di canali microfluidici, il cui design è ispirato alla milza. Nel dispositivo, che gli inventori chiamano milza su un chip, il sangue contaminato scorre attraverso i canali insieme a una soluzione salina. Un gradiente di campo magnetico viene quindi utilizzato per attirare le nanosfere e i loro agenti patogeni legati in quella soluzione. Utilizzando questo processo, il gruppo ha già raggiunto l'obiettivo della DARPA di pulire 1,25 litri di sangue all'ora e Ingber afferma di ritenere di poter raggiungere una portata ancora più elevata.

Il rivestimento della superficie interna dei canali è un nuovo materiale chiamato SLIPS (superfici porose infuse di liquido scivoloso) , ispirato alla pianta carnivora Nepenthes e sviluppato anche al Wyss Institute. SLIPS impedisce alle proteine ​​e alle piastrine di attaccarsi alla superficie dei canali e di attivare la coagulazione.

Il potenziale della tecnologia non finisce qui. Poiché il sistema può rimuovere e isolare gli agenti patogeni in modo così efficiente, può fornire l'opportunità di identificare l'organismo che causa l'infezione di un paziente senza dover eseguire un'emocoltura, afferma Michele Super , uno scienziato senior del personale del Wyss Institute. Ciò ridurrebbe la quantità di tempo necessaria per determinare l'antibiotico appropriato. Il gruppo sta ora lavorando per integrare tale funzionalità nel dispositivo.

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