Un modello polmonare stampato in 3D aiuta a studiare i farmaci somministrati per via aerea

Chi soffre d’asma lo sa bene: quando arriva una crisi respiratoria, per gestirla è fordamentale servirsi del proprio inalatore, insieme a tanta pazienza e una buona dose di calma. Infatti, uno dei metodi più efficienti per trattare le malattie respiratorie, come l’asma ma anche la BroncoPneumopatia Cronica Ostruttiva (BPCO), è quello di far ricorso a farmaci somministrati per via aerea. Tuttavia, non è facile studiare il percorso che questi medicinali compiono all’interno dei polmoni per capirne l’effettiva efficacia. Inoltre, gli inalatori sono farmaci con dosi standardizzate e per questo, molto spesso, portano a risultati fallimentari negli studi clinici. Fortunatamente, la stampa 3D arriva a sostegno della ricerca medica grazie alla creazione di modelli polmonari.  

All’Università di Delaware, negli Stati Uniti, è stato recentemente richiesto il brevetto per un modello polmonare progettato e realizzato dalla docente Catherine Fromen che contine al suo interno delle parti stampate in 3D. Questo modello nasce dall’esigenza di studiare come i farmaci somministrati per via aerea, tramite quindi nebulizzatori o inalatori, possano distribuirsi nelle vie superiori e nelle aree più profonde dei polmoni. Comprendere il percorso che il medicinale fa all’interno delle vie polmonari è essenziale per creare non solo delle terapie farmaceutiche personalizzate, ma anche per rendere più accurate, quindi più efficienti, le manovre di respirazione.  

In realtà, più che un singolo modello, quello progettato da Catherine Fromen è un vero e proprio sistema modulare che imita in tutto e per tutto un polmone vero: dalla struttura ad albero, composta dai bronchi principali per arrivare ai bronchioli terminali, alla sua capacità di ventilazione polmonare che permette lo scambio tra i gas e il sangue. Per aiutare a capire come i farmaci inalati si depositano nei polmoni, il team di ricerca ha creato il sistema di approssimazione delle vie aeree chiamato TIDAL, Total Inhaled Deposition in an Actuated Lung. Essendo questo sistema modulare e scalabile, permette di studiare gli effetti delle malattie e dei farmaci su persone con fisiologie diverse. “Attualmente, non esiste nulla sul mercato che combini entrambe queste caratteristiche”, ha spiegato Catherine Fromen. “Questo ci permette di tracciare l’intero percorso di un farmaco inalato, osservando sia la sua distribuzione nel tempo che il suo approdo nell’organismo. Possiamo analizzare dove si deposita il medicinale durante l’inalazione e come viene espirato durante la respirazione.”  

Infatti, i minuscoli reticoli utilizzati in questo sistema sono stati ricreati grazie alla stampa 3D, ispirandosi al design degli elementi reticolari a lattice. Questa struttura replica fedelmente i processi di filtraggio del polmone. Per testare questo sistema dotato di parti stampate in 3D, il team di ricerca ha aggiunto delle molecole fluorescenti alla soluzione utilizzata nel test per tracciare il percorso delle particelle e osservare dove queste si depositano all’interno del modello, composto da ben 150 parti diverse. “Laviamo ogni componente e rimuoviamo tutto ciò che si è depositato. La fluorescenza è semplicemente una molecola nella soluzione: quando si deposita, ci consente di determinare la concentrazione del farmaco. Sciacquandola via, possiamo misurare con precisione la quantità di fluorescenza recuperata, ottenendo così dati affidabili sulla distribuzione del medicinale” ha riferito Fromen. 

Grazie al modello polmonare stampato in 3D, Fromen e il suo team possono creare una mappa dettagliata che riesce a indicare dove si depositano i farmaci somministrati per via aerea. Questo consente di confrontare le previsioni teoriche sulla distribuzione del farmaco con la sua effettiva deposizione, migliorando così la comprensione e l’efficacia dei trattamenti. Questo modello è utile non solo per studiare i percorsi dei farmaci nelle vie polmonari, ma anche per capire se una persona viene esposta a dei gas nocivi, in quale profondità questi possono penetrare all’interno dell’organismo umano e creare dei danni alla salute.  

Capendo l’importanza di questo progetto, Fromen e due alunni dell’UD hanno presentato una domanda di brevetto sull’invenzione del modello polmonare 3D all’Office of Economic Innovation and Partnerships (OEIP) di UD, ossia l’unità responsabile della gestione della proprietà intellettuale presso l’università di Delaware. Il modello polmonare sviluppato dall’Università del Delaware è un ulteriore esempio di come la stampa 3D possa rivoluzionare la ricerca scientifica. La produzione additiva favorisce infatti la personalizzazione dei farmaci, rendendo le cure più mirate e specifiche per ogni paziente, migliorandone così le condizioni di salute. Per saperne di più sulla ricerca clicca QUI. 

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*Crediti foto di copertina: Università of Delaware