Natalia Alexandrova Trayanova, ricercatrice presso il Johns Hopkins Institute for Computational Medicine e direttrice del Dr. Trayanova’s Computational Cardiology Lab, riesce a costruire con il suo team un modello computerizzato del cuore umano, personalizzato per ogni individuo, che i medici possono utilizzare per studiarne le patologie e per simularne la risposta ai trattamenti terapeutici.
Natalia Trayanova
Un poeta può sostenere che il cuore di ogni essere umano sia un mistero unico: chi lavora nel nuovo campo della medicina computazionale, tuttavia, riesce a modellare ognuno di quei cuori unici con mirabile precisione e a rivelare i loro segreti.
Innovazioni dei modelli personalizzati del cuore
Negli ultimi dieci anni gli ingegneri biomedici hanno imparato ad utilizzare modelli numerici per realizzare “organi virtuali” sempre più sofisticati, e rapidi sviluppi in ambito di simulazione cardiaca hanno fatto del cuore virtuale, ad oggi, il modello più completo di tutti. È una replica complessa, in quanto deve simulare il funzionamento del cuore dalla scala molecolare, alla scala cellulare, fino al livello di tutto l’organo e del tessuto muscolare dove si espande e si contrae ad ogni battito cardiaco. È necessaria, inoltre, una stretta integrazione tra tutti questi livelli per descrivere con precisione le interazioni di feedback costanti che governano le funzioni del cuore. I ricercatori del Dr. Trayanova’s Computational Cardiology Lab, alla Johns Hopkins University, fanno proprio questo: realizzano modelli per simulare il comportamento del cuore di singoli pazienti, fornendo supporto ai cardiologi nell’attuare trattamenti salva-vita. Tali modelli hanno già dimostrato il loro valore per la ricerca di base in ambito cardiologico, permettendo agli scienziati di studiare ciò che accade sia nei cuori sani che in quelli affetti da diverse patologie.
Risonanza magnetica del cuore del paziente
I cuori virtuali sono ora pronti a rivoluzionare i trattamenti sui pazienti: grazie ad essi i cardiologi potranno migliorare le terapie, ridurre al minimo l’invasività delle procedure diagnostiche e inaugurare un nuovo tipo di assistenza sanitaria personalizzata con costi ridotti e risultati sorprendenti. A partire da una semplice risonanza magnetica, infatti, gli specialisti in cardiologia computazionale oggi possono costruire un modello del cuore personalizzato, con cui i cardiologi possono interagire, servendosi di stimolazioni virtuali per potern studiarne le risposte ed i relativi disturbi: un’operazione assolutamente impensabile da eseguire alla leggera su un cuore reale!
Ruolo dei modelli nel supporto alle decisioni
Attualmente i cardiologi stabiliscono se procedere o meno con un intervento al cuore (trapianto o impianto di pacemaker) basandosi sulla frazione di eiezione del paziente: se risulta inferiore al 35%, i medici consigliano al paziente di sottoporsi all’intervento. Sono molti gli interventi predisposti sulla base di questo criterio, ma già nel primo anno dopo l’intervento, il 5% dei pazienti mostra una tendenza a sviluppare aritmie ventricolari.
È evidente, da un lato, che molti pazienti rischiano complicanze chirurgiche (infezioni, guasti dei dispositivi) inutilmente, perché probabilmente non rappresentano la soluzione ottimale per il loro cuore. I pacemaker impiantati e i relativi elettrodi che monitorano il cuore, infatti, possono presentare malfunzionamenti: si corre il rischio che si inneschino shock pericolosi, perché ricevere una scossa del genere è come ricevere calci al petto da un cavallo, e i pazienti a volte perdono conoscenza, il che potrebbe rivelarsi mortale, ad esempio, se sono alla guida.
È importante, dall’altro lato, notare che la frazione di eiezione non è in generale un buon indicatore per il rischio di aritmie: continuano a verificarsi, infatti, molti casi di pazienti che, sebbene abbiano frazioni di eiezione abbastanza elevate e non soddisfino dunque i criteri attuali per la predisposizione di un intervento, muoiono per arresto cardiaco improvviso, spesso nel pieno della loro vita.
Strumento di elaborazione delle immagini
“I miei colleghi ed io stiamo attualmente verificando se sia possibile utilizzare questi specifici modelli virtuali del cuore per valutare con maggiore attendibilità il rischio di sviluppare un’aritmia pericolosa e, quindi, la necessità di sottoporsi ad un intervento. Per valutare quanto un paziente sia incline a un’aritmia, simuliamo la risposta del suo cuore virtuale ad azioni stimolatorie rischiose, che i medici sono spesso riluttanti nel compiere su di un vero cuore, come generare piccoli impulsi elettrici in diversi punti e valutare se e dove l’aritmia possa svilupparsi.” – Natalia Trayanova
Nel video la Trayanova espone la sua visione sulle potenzialità della simulazione computazionale:
Realizzazione di un modello di cuore virtuale
Per essere clinicamente utile, il modello deve rappresentare l’anatomia unica dell’individuo. Si parte perciò dalla risonanza magnetica del paziente (MRI) o dalla tomografia computerizzata (TC), da cui si ottengono immagini che rappresentano “fette” di cuore. Si usano tecniche di elaborazione delle immagini per identificare il tessuto muscolare nelle pareti delle camere del cuore e per mappare il tessuto cicatriziale della regione di cuore danneggiata.
Modello di tessuto cicatriziale che determina l’andamento elettrico dei segnali che si muovono attraverso il cuore
Si prosegue utilizzando queste informazioni per costruire un modello geometrico e infine ci si serve delle immagini ottenute per stimare l’orientamento delle fibre muscolari, che determinano come i segnali elettrici si propagano attraverso il tessuto. Una volta ottenuta la struttura geometrica specifica del paziente, si sovrappone ad essa un modello computazionale di un cuore generico per identificarne il funzionamento interno.
Simulazioni di segnale elettrico che può causare l’arresto cardiaco
Bisogna rappresentare l’attività a livello cellulare e molecolare, in cui gli scambi ionici attraverso le membrane delle cellule cardiache innescano le contrazioni e le correnti fluiscono da cellula a cellula. Il risultato è un modello di cuore personalizzato che può essere paragonato a Google Earth: “Pensare ad esso come “Google Heart” ci permette di aumentare e diminuire il livello di dettaglio, così da poter esaminare gli aspetti fisiologici anche a livello di tutto l’organo”, sostiene la dottoressa Trayanova.
Ulteriori applicazioni
Questo modello di cuore virtuale può essere utilizzato anche per altre applicazioni in ambito cardiologico. La Trayanova ed il suo team, infatti, stanno testando la prima applicazione clinica dei loro modelli in pazienti che hanno sviluppato una forma di tachicardia ventricolare che può risultare molto pericolosa. L’intenzione è quella di costruire un modello tridimensionale del cuore con il quale poter esaminare le “stranezze” strutturali e le aree specifiche di tessuto morto che causano le interferenze elettriche, ed eseguire quindi alcuni test sul modello ottenuto, per analizzare tutte le possibili aritmie che potrebbero svilupparsi nel cuore, e per individuare così il tessuto responsabile degli impulsi elettrici difettosi. Dopodiché il medico, grazie ai risultati ottenuti dai test e dalla simulazione, sarebbe in grado di distruggere la minima quantità di tessuto necessaria per eliminare il problema. Questo metodo permetterebbe sicuramente di abbreviare in modo significativo le varie procedure che i medici devono eseguire e di ridurre esponenzialmente le complicanze, ottenendo così un aumento del tasso di successo in questa tipologia di interventi.
Tessuto cicatriziale del cuore Modello 3D raffigurante anatomia del cuore Orientamento delle fibre muscolari
Risultati dell’impiego di modelli di cuori virtuali
Il primo studio retrospettivo alla Johns Hopkins è stato promettente: sono stati realizzati modelli di cuore per circa 40 pazienti che avevano subito attacchi cardiaci e che si erano sottoposti ad un intervento chirurgico per impiantare un pacemaker. Attraverso le simulazioni dei cuori virtuali, si è previsto che, nei 5 anni successivi all’intervento, l’85% dei pazienti avrebbe sviluppato aritmie, mentre la percentuale prevista dal metodo basato sulla frazione di eiezione era pari solo al 51%: il follow-up di questo gruppo di pazienti alla fine ha dato ragione alle prime previsioni.
Per convalidare definitivamente questo metodo ed ottenere il via libera per l’utilizzo in ambito clinico, il team della Trayanova sta ora realizzando cuori virtuali personalizzati per pazienti che hanno subito un attacco cardiaco dopo l’intervento e che presentano una frazione di eiezione maggiore del 35%, dunque non esposti a gravi rischi di aritmie secondo il metodo di previsione standard. Le raccomandazioni cliniche per questi pazienti sono davvero molto scarse, ma il team è in grado di gestire le simulazioni ed effettuare previsioni.
Se individuiamo i pazienti che sono ad alto rischio per un’aritmia letale, possiamo consigliare loro di sottoporsi all’impianto di un pacemaker, nonostante le loro frazioni di eiezione siano relativamente elevate. Stiamo lavorando per permettere ai cardiologi di eseguire questi test virtuali quotidianamente, come un metodo di screening non invasivo dei loro pazienti, contribuendo così alla riduzione del rischio di morte cardiaca improvvisa. – Natalia Trayanova
Questo articolo è originariamente apparso in stampa come “Your Personal Virtual Heart”
Photos: Johns Hopkins University/Heart Rhythm
