Trattamenti più efficaci grazie ai modelli con «funzione cardiaca completa»
Le attuali tecnologie tomografiche forniscono una grande quantità di informazioni su anatomia, struttura e funzione del cuore con una risoluzione molto elevata, spesso paracellulare. Ma ad oggi, le tecniche digitali e di personalizzazione in grado di sfruttare appieno queste corpose banche dati e di rappresentare in modo accurato l’anatomia e la fisiologia del paziente, sono ancora agli inizi. Grazie al supporto del programma Marie Skłodowska-Curie, il borsista del progetto InsiliCardio ha concluso uno studio di fattibilità sulla simulazione della completa funzione cardiaca personalizzata. Questa è stata rappresentata in modelli ad alta risoluzione, anatomicamente dettagliati, che hanno incluso i tre aspetti principali della fisica (fluido, strutturale ed elettrico). Il flusso di lavoro della modellizzazione ha dimostrato che i modelli idroelettromeccanici del cuore stanno diventando un’opzione praticabile e, pur rimanendo di costosa realizzazione, si rivelano strumenti promettenti per prevedere la risposta all’intervento medico.
Simulare la funzione idroelettromeccanica completa del cuore
InsiliCardio ha combinato elementi provenienti da una vasta gamma di discipline, tra cui cardiologia (aritmie cardiache, insufficienza cardiaca e terapie), ingegneria biomedica (realizzazione di modelli, analisi di immagini mediche e tecniche di mappatura) e matematica (metodi numerici e calcolo scientifico). Questo approccio multidisciplinare ha permesso la conduzione di vari studi che hanno mostrato l’applicabilità dei modelli di calcolo per casi clinicamente rilevanti. Ad esempio, le pressioni della parete ventricolare sinistra e la potenza biomeccanica sono potenziali biomarcatori per la diagnosi e la previsione dell’esito post-trattamento, che non sono però rilevabili con le abituali procedure cliniche o tramite la diagnostica per immagini. La modellazione di InsiliCardio ha permesso la miglior valutazione di questi biomarcatori clinicamente promettenti. In un’altra area di lavoro sono stati realizzati modelli meccanici degli atri (le camere superiori del cuore) e si è vista la necessità di misurazioni personalizzate dello spessore delle pareti per calcolare accuratamente la pressione locale della parete. I picchi di pressione nella parete atriale sono associati al rimodellamento dei tessuti che provoca la fibrosi, considerata uno dei principali fattori di rischio per lo sviluppo della fibrillazione atriale. Il gruppo ha sviluppato una struttura di simulazione per studiare l’associazione tra l’anatomia, la meccanica e l’elettrofisiologia a livello locale. «A breve termine, i nostri modelli potrebbero migliorare la selezione dei pazienti, la pianificazione terapeutica e la gestione dei rischi, producendo benefici clinici», afferma il ricercatore Christoph Augustin. «In particolare, i modelli che sono in grado di simulare i biomarcatori, non disponibili mediante l’imaging o le misurazioni cliniche, potranno supportare il processo decisionale nei casi limite e complessi».
Verso una migliore pianificazione terapeutica
I modelli di calcolo del cuore influiranno sull’esistenza dei cittadini europei, sia come strumenti di sviluppo dei dispositivi medici (MDDT) a livello industriale, per la progettazione e l’ottimizzazione dei dispositivi cardiaci, come pure attraverso l’offerta di software come dispositivo medico (SaMD), per le applicazioni cliniche diagnostiche e terapeutiche. La progettazione e l’ottimizzazione di dispositivi cardiaci, valvole cardiache meccaniche o stent potrebbero trarre vantaggio dal lavoro svolto dal progetto InsiliCardio. Una versione open source del software chiamato openCARP sarà disponibile gratuitamente per fini accademici. openCARP include attualmente il simulatore elettrofisiologico, prossimamente dotato dei moduli di meccanica e di fluidonamica. Portando avanti il lavoro, Augustin utilizzerà i dati e i modelli di InsiliCardio nell’ambito del progetto SICVALVES, ampliandoli per sviluppare i modelli di crescita e rimodellamento, per studiare ulteriormente l’ipertrofia concentrica (l’ispessimento patologico della parete ventricolare). Si tratta di uno dei principali fattori di rischio per l’arresto cardiaco. L’obiettivo del gruppo è aiutare i medici a pianificare le terapie in modo più efficace. «In futuro, ci aspettiamo che i modelli di calcolo siano impiegati per valutare lo stato della progressione della malattia e per fornire previsioni a più lungo termine degli esiti terapeutici», afferma Augustin.
Parole chiave
InsiliCardio, cuore, cardiologia, cardiaco, aritmia, pressioni della parete ventricolare, biomeccanica, atriale, fibrillazione, biomarcatori, fibrosi, ipertrofia
