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I ricercatori valutano il danno causato dai microbubbles nei traumi cranici

Dica che c'è un attacco di bomba ad una base militare. Alcuni dei soldati subiscono le commozioni cerebrali ed altri traumi cranici. Potrebbero alcune delle lesioni essere causati dalle bolle minuscole che si formano e sprofondano all'interno del cranio durante il trauma capo?

I ricercatori all'Iowa State University, con il supporto delle concessioni dall'ufficio della ricerca navale, stanno usando la loro competenza con la lavorazione di microstrutture per studiare e descrivere il danneggiamento delle cellule cerebrali causate dalla formazione e dal crollo di microbubbles - un trattamento conosciuto come la cavitazione.

I ricercatori riferiscono i loro risultati in un documento descritto sul coperchio dell'emissione del luglio 2020 delle sfide globali del giornale della ricerca. Gli autori principali sono Nicole Hashemi, un professore associato dello stato dello Iowa dell'ingegneria meccanica ed Alex Wrede, un ex studente di laurea e socio di ricerca postdottorale nel laboratorio di Hashemi. (Vedi la barra laterale per gli altri co-author.)

I ricercatori scrivono che i microbubbles misurati nei micron - che è millionths di un metro - possono formarsi in liquido spinale cerebrale dentro il cranio durante i traumi cranici traumatici.

I ricercatori hanno scritto “la formazione ed il crollo drammatico„ di questi microbubbles potrebbe essere responsabile di alcuno del danno in un trauma cranico.

Il danno della bolla può sondare irrilevante. Ma il crollo della bolla e le onde di urto risultanti, sono conosciuti per danneggiare le fondamenta d'acciaio delle eliche della barca. I ricercatori riferiscono che gli studi priori indicano che l'espansione ed il crollo dei microbubbles crea le forze di 0,1 - 20 megapascals, o 14,5 - 2.900 libbre per pollice quadrato.

“… Così è in modo allarmante realizzare il danno che la cavitazione infligge sul tessuto cerebrale vulnerabile,„ i ricercatori ha scritto.

Ricerca dei cambiamenti in cellule cerebrali

Per verificare e caratterizzare l'impatto della cavitazione dentro il cranio, i ricercatori hanno simulato un cervello creando una piattaforma della coltura cellulare 3D per le celle astrocytic (celle a forma di stella nel cervello e nel midollo spinale che sono attive nel supporto, mantenenti e riparanti il sistema nervoso centrale). Hanno sommerso la piattaforma della coltura cellulare in un piccolo carro armato ed hanno creato i microbubbles intorno a 60 millionths di un metro nella dimensione. Alcuni dei microbubbles hanno aderito dell'all'impalcatura carica di cella del microfiber.

I ricercatori hanno acceso un'unità ultrasonica nel carro armato, sprofondante i microbubbles e creante la cavitazione. (Egualmente hanno utilizzato l'unità ultrasonica su un gruppo di controllo delle celle che non sono state esposte alla cavitazione.)

I ricercatori hanno cercato due generi di effetti:

In primo luogo, hanno utilizzato un microscopio invertito per registrare tutti i cambiamenti morfologici alle celle. In secondo luogo, hanno lavorato con i colleghi nell'istituto universitario dello stato dello Iowa di medicina veterinaria per valutare se c'erano cambiamenti genetici nelle celle.

I ricercatori hanno trovato che la cavitazione ha indotto le celle a restringersi ed ha irruvidito le loro superfici. Le celle sono sembrato prolungare e svilupparsi quando le immagini sono state richieste 22 e 48 ore dopo la cavitazione. Nondimeno, i ricercatori hanno trovato la crescita delle cellule dopo 48 ore in termini di area - era circa la metà tanto quanto le celle di controllo.

I ricercatori egualmente hanno trovato che le celle nocive dalla cavitazione avevano elevato l'espressione dei geni quali TNF-α e IL-6, che sono associati con i termini infiammatori quali l'infezione con il virus SARS-CoV-2 ed i disordini neurologici quali Parkinson ed i morbi di Alzheimer.

“Catturato insieme, questi risultati confermano che la cavitazione circostante è nociva alla funzione astrocytic,„ i ricercatori hanno scritto.

Progettazione dei caschi migliori

Hashemi ha detto mentre medici cercano i trattamenti per la lesione cerebrale causata dalla cavitazione, lei ha detto che gli ingegneri possono lavorare per identificare i posti nel cervello in cui la cavitazione è più probabile da accadere.

“Una mappa di posizione dell'avvenimento di cavitazione può direttamente essere usata per progettare un casco che inumidisce la forza e diminuisce la possibilità della cavitazione,„ i ricercatori ha scritto.

E mentre questo studio mette a fuoco sui caschi militari, Hashemi ha detto che le stesse idee potrebbero applicarsi ai caschi per calcio ed altri sport.

Questa ricerca sta esaminando le applicazioni del campo di battaglia, ma nel calcio ci sono simili impatti e onde di urto. I giocatori ottengono i moduli delicati del trauma cranico traumatico. I giocatori non potrebbero realizzarlo, ma gli effetti delle lesioni di cavitazione sarebbero là.„

Nicole Hashemi, professore associato di ingegneria meccanica, Iowa State University

Wrede, l'ex dottorando di Hashemi che ora sta lavorando come i sistemi dinamici che modellano l'ingegnere per John Deere in Dubuque, hanno detto il progetto gli ha insegnato che c'è grande esigenza di più ricerca e sviluppo.

“La gente che ha servito il nostro paese e ritorna con le lesioni realmente sta contando sulla ricerca per trovare le risposte,„ ha detto. “Le risposte hanno potuto migliorare la qualità di vita per i nostri veterani e tutti abbastanza sfavorevoli per passare attraverso il trauma cranico traumatico.„

Source:
Journal reference:

Wrede, A.H., et al. (2020) Characterization of Astrocytic Response after Experiencing Cavitation In Vitro. Global Challenges. doi.org/10.1002/gch2.201900014.