Badania, które pozwolą lepiej zrozumieć proces zarastania tętnic

– Od kilku lat współpracujemy z kardiochirurgami ze Śląskiego Uniwersytetu Medycznego. To oni zainteresowali nas tętnicami wieńcowymi i procesem hemolizy, czyli umieraniem czerwonych krwinek, czemu sprzyja zwężenie w tego typu tętnicach – opowiada dr inż. Krzysztof Wojtas z Wydziału Inżynierii Chemicznej i Procesowej PW.

Jedną z głównych procedur medycznych stosowanych w leczeniu niedrożności naczyń krwionośnych jest przezskórna interwencja wieńcowa z użyciem stentów. Stenty rozszerzają tętnice i udrożniają przepływ krwi. Mimo powszechności zabiegu, w literaturze naukowej brakuje precyzyjnego opisu teoretycznego przepływu i zjawisk towarzyszących, wraz z weryfikacją doświadczalną, po udanej procedurze operacyjnej. Jest to spowodowane niedawnym rozwojem nowoczesnych metod komputerowych i badawczych pozwalających naukowcom badać układy fizjologiczne w skali mikro. Do tej pory mogli oni jedynie domyślać się charakteru analizowanych zjawisk.

Naukowców z PW zainteresowała kwestia hemolizy, ale również zarastanie stentu.

– Wprowadzając ciało obce do organizmu, wywołujemy stan zapalny. Do wtórnego zarastania stentu zachodzi zarówno na podłożu biochemicznym, jak również mechanicznym – wyjaśnia dr Wojtas.

W projekcie badano różne stany tętnicy pacjentów: zwężona przed wprowadzeniem stentu, po zabiegu oraz zarastającą w miejscu stentu. Model teoretyczny naukowcy oparli m.in. na obliczeniowej mechanice płynów uzupełnionej o bilans populacji, co pozwoliło w obliczeniach na śledzenie nawet pojedynczych czerwonych krwinek. Stworzyli również przejrzyste modele 3D badanej tętnicy. Na podstawie zdjęć tomograficznych, wydrukowali trójwymiarowe modele tętnicy pacjenta. Przy ich pomocy przeprowadzili pomiary laserowe prędkości. Taki pomiar wewnątrz tętnicy (modelu tętnicy) posłużył jako weryfikacja doświadczalna ich obliczeń. Jak wygląda taki laserowy pomiar prędkości?

–  Upraszczając – laser podświetla nam dany wycinek wnętrza naszego modelu, do którego wprowadzamy małe cząstki. Za pomocą kamery, która w bardzo krótkim odstępie czasu (nawet poniżej milisekundy) wykonuje dwa zdjęcia. Na zdjęciach widzimy o ile pikseli przemieściły się cząstki między dwoma ujęciami. Dzięki temu wiemy z jaką prędkością się przemieściły – wyjaśnia dr Wojtas.

Przezroczysty model

Podczas realizacji projektu naukowcy stanęli przed nieoczekiwanym wyzwaniem. Okazało się, że pierwsze wydruki modelu tętnicy były matowe i zażółcone. Kolidowało to z wymaganiami odnośnie przezroczystości i bezbarwności wydruków do prawidłowego przeprowadzenia pomiarów.

Modele trójwymiarowej tętnicy pacjenta ze Śląskiego Uniwersytetu Medycznego

–  Aby przygotować poprawnie wydruk z wykorzystaniem żywic (technologia Low Force Stereolithography), należy je utwardzić ultrafioletem i wygrzać. Jednak zbyt długie naświetlanie i obróbka cieplna mogą doprowadzić do jego zżółcenia. Z tego względu musieliśmy dobrać te parametry metodą prób i błędów, gdyż sugerowane parametry nie spełniały naszych wymagań. Natomiast zmatowanie ścianek zewnętrznych, które pozostawało, usuwaliśmy ręcznie za pomocą papierów ściernych o drobnej gradacji. Nadal szukamy skuteczniejszego rozwiązania – mówi dr Wojtas.

Sztuczna krew

Jako zamiennik krwi, w literaturze najczęściej pojawia się mieszanina wody z gliceryną. W przypadku politechnicznych badań, gdzie ważna jest lepkość i prędkość płynu dla niskich wartości szybkości ścinania (w uproszczeniu małych prędkości), naukowcy z PW dodali do tej mieszanki jeszcze gumę ksantanową, aby zachowywała się jeszcze podobniej do krwi.

–  Do badania prędkości przepływu nie stosujemy prawdziwej krwi, zarówno ze względu na wymagania bioetyczne oraz koszty, jak i na problemy praktyczne – ponieważ nic nie byłoby widać w pomiarach laserowych. Mamy natomiast w planach zbadanie w ten sposób hemolizy. Przygotowania do tego trwają i są skomplikowane, m.in. musimy zbadać toksyczność materiału, z którego wykonaliśmy model 3D, aby upewnić się, że nie wpłynie on na liczbę krwinek w przepompowywanej krwi – mówi dr Wojtas.

Dr inż. Krzysztof Wojtas pokazuje stanowisko badawcze, na którym wykonywane są pomiary laserowe prędkości

Badania rozpoczęte w projekcie IDUB umożliwiły naukowcom z PW nawiązanie współpracy z kolejnymi ośrodkami: Wojskowym Instytutem Medycznym w Warszawie oraz Warszawskim Uniwersytetem Medycznym.

– Dzięki temu nasze wyniki badań w niedalekiej przyszłości zastosujemy szerzej – m.in. do analizy ryzyka hemolizy w sercu dotkniętym schorzeniem przecieku okołozastawkowego (stosunkowo częsta patologia po wymianie zastawki) oraz do analizy zjawisk zachodzących w tętnicach szyjnych i mózgowych – mówi dr Wojtas.

Projekt „Metody szacowania ryzyka pierwotnego i wtórnego zarastania tętnic towarzyszącego chorobie wieńcowej z zastosowaniem obliczeniowej mechaniki płynów, technik obrazowych pomiaru przepływu oraz druku 3D” był finansowany w ramach grantu badawczego programu "Inicjatywa Doskonałości – Uczelnia Badawcza", który realizowany jest na Politechnice Warszawskiej.

Skład zespołu badawczego:
dr inż. Krzysztof Wojtas; mgr inż. Krystian Jędrzejczak, mgr inż. Arkadiusz Antonowicz; dr inż. Michał Wojasiński; dr n. med. Michał Kozłowski.