El primer cerebro de alta resolución del mundo desarrollado con una impresora 3D
Un nuevo modelo puede hacer avanzar la investigación de las enfermedades neurodegenerativas
En un proyecto conjunto de la Universidad Técnica de Viena y la Universidad Médica de Viena, se ha desarrollado el primer "maniquí cerebral" impreso en 3D del mundo, que sigue el modelo de la estructura de las fibras cerebrales y puede obtenerse mediante una variante especial de la resonancia magnética (dMRI). Como ha demostrado ahora en un estudio un equipo científico dirigido por TU Wien y MedUni Vienna, estos modelos cerebrales pueden utilizarse para avanzar en la investigación de enfermedades neurodegenerativas como el Alzheimer, el Parkinson y la esclerosis múltiple. El trabajo de investigación se ha publicado en la revista "Advanced Materials Technologies".
Franziska Chalupa-Gantner con el cerebro fantasma en la mano (derecha) y Aleksandr Ovsianikov (izquierda).
TU Wien
El cerebro fantasma
MedUni Wien
La resonancia magnética (RM) es una técnica de diagnóstico por imagen muy extendida que se utiliza principalmente para examinar el cerebro. La IRM permite examinar la estructura y el funcionamiento del cerebro sin utilizar radiación ionizante. En una variante especial de la RM, la RM ponderada por difusión (RMd), también se puede determinar la dirección de las fibras nerviosas en el cerebro. Sin embargo, es muy difícil determinar correctamente la dirección de las fibras nerviosas en los puntos de cruce de los haces de fibras nerviosas, ya que allí se solapan fibras nerviosas con direcciones diferentes. Con el fin de seguir mejorando el proceso y probar métodos de análisis y evaluación, un equipo internacional en colaboración con la TU Wien y la Universidad Médica de Viena desarrolló el llamado "fantoma cerebral", que se fabricó mediante un proceso de impresión 3D de alta resolución.
Cubo diminuto con microcanales
Los investigadores de la Universidad Médica de Viena, como expertos en resonancia magnética, y de la TU Wien, como expertos en impresión 3D, trabajaron en estrecha colaboración con colegas de la Universidad de Zúrich y del Centro Médico Universitario de Hamburgo-Eppendorf. Ya en 2017, se desarrolló en la TU Wien una impresora de polimerización de dos fotones que permite la impresión a escala superior. En el transcurso de la misma, también se trabajó en fantomas cerebrales como caso de uso junto con la Universidad Médica de Viena y la Universidad de Zúrich. La patente resultante constituye la base del maniquí cerebral que se ha desarrollado ahora y que está siendo supervisado por el equipo de Apoyo a la Investigación y la Transferencia de la TU Wien.
Visualmente, este maniquí no tiene mucho que ver con un cerebro real. Es mucho más pequeño y tiene la forma de un cubo. En su interior hay microcanales muy finos, llenos de agua, del tamaño de un nervio craneal. Los diámetros de estos canales son cinco veces más finos que un cabello humano. Para imitar la fina red de células nerviosas del cerebro, el equipo de investigación dirigido por los primeros autores Michael Woletz (Centro de Física Médica e Ingeniería Biomédica, MedUni Viena) y Franziska Chalupa-Gantner (Grupo de Investigación en Impresión 3D y Biofabricación, TU Wien) utilizó un método de impresión 3D bastante inusual: la polimerización de dos fotones. Este método de alta resolución se utiliza principalmente para imprimir microestructuras en el rango nanométrico y micrométrico, no para imprimir estructuras tridimensionales en el rango del milímetro cúbico. Con el fin de crear maniquíes de un tamaño adecuado para la dMRI, los investigadores de la Universidad Técnica de Viena han estado trabajando en la ampliación del proceso de impresión 3D y en la posibilidad de imprimir objetos más grandes con detalles de alta resolución. La impresión 3D a gran escala proporciona a los investigadores modelos muy buenos que, cuando se observan mediante RMD, permiten asignar diversas estructuras nerviosas. Michael Woletz compara este enfoque para mejorar la capacidad de diagnóstico de la dMRI con el funcionamiento de la cámara de un teléfono móvil: "Los mayores avances en fotografía con las cámaras de los teléfonos móviles no se consiguen necesariamente con nuevas y mejores lentes, sino con el software que mejora las imágenes captadas. La situación es similar con la dMRI: utilizando el nuevo maniquí cerebral, podemos ajustar el software de análisis con mucha más precisión y así mejorar la calidad de los datos medidos y reconstruir la arquitectura neuronal del cerebro con mayor exactitud."
El fantasma cerebral entrena el software de análisis
La reproducción auténtica de las estructuras nerviosas características del cerebro es, por tanto, importante para "entrenar" el software de análisis de dMRI. El uso de la impresión 3D permite crear diseños diversos y complejos que pueden modificarse y personalizarse. Así, los fantomas cerebrales representan zonas del cerebro que generan señales especialmente complejas y, por tanto, difíciles de analizar, como las vías nerviosas que se entrecruzan. Para calibrar el software de análisis, el maniquí cerebral se examina mediante RMD y los datos medidos se analizan como en un cerebro real. Gracias a la impresión en 3D, se conoce con precisión el diseño de los maniquíes y se pueden comprobar los resultados del análisis. TU Wien y MedUni Vienna pudieron demostrar que esto funciona como parte del trabajo de investigación conjunto. Los fantomas desarrollados pueden utilizarse para mejorar la RMD, lo que puede beneficiar la planificación de operaciones y la investigación de enfermedades neurodegenerativas como el Alzheimer, el Parkinson y la esclerosis múltiple.
A pesar de la prueba de concepto, el equipo sigue afrontando retos. Por el momento, el mayor reto es ampliar el método: "La alta resolución de la polimerización bifotónica permite imprimir detalles en el rango micro y nanométrico, por lo que resulta muy adecuada para obtener imágenes de los nervios craneales. Al mismo tiempo, sin embargo, se necesita mucho tiempo para imprimir un cubo de varios centímetros cúbicos con esta técnica", explica Chalupa-Gantner. "Por tanto, no sólo queremos desarrollar diseños aún más complejos, sino también optimizar el proceso de impresión".
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Michael Woletz, Franziska Chalupa‐Gantner, Benedikt Hager, Alexander Ricke, Siawoosh Mohammadi, Stefan Binder, Stefan Baudis, Aleksandr Ovsianikov, Christian Windischberger, Zoltan Nagy; "Toward Printing the Brain: A Microstructural Ground Truth Phantom for MRI"; Advanced Materials Technologies, Volume 9, 2024-1-7
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