Monitoraggio del metabolismo cerebrale

Verso un rilevatore a concussione portatile che si basa su un laser a infrarossi. Osservando contemporaneamente l'ossigeno tissutale e il metabolismo cellulare, i medici potrebbero avere un modo rapido e non invasivo per monitorare la salute delle cellule cerebrali.

In assenza di un efficace metodo capace di localizzare in tempo una lesione cerebrale, molte persone potrebbero, ad esempio, svolgere uno sport senza sapere che alcune aree del loro cervello sono lesionate. A causa di questa lacuna, 2 milioni di persone muoiono ogni anno perché non hanno ricevuto una diagnosi precoce che avvisi sullo stato delle proprie cellule cerebrali e altri 4 milioni sperimentano disabilità cognitive.

Ora, un team di medici e ingegneri ha sviluppato un modo non invasivo per misurare se le cellule cerebrali sono in difficoltà utilizzando un laser a infrarossi. Il loro dispositivo utilizza fibre ottiche per fornire impulsi di luce infrarossa alla fronte di una persona. Questa luce può penetrare attraverso la pelle e il cranio fino al cervello senza fare del male. Interagisce con un'importante molecola per il metabolismo chiamata citocromo C ossidasi (called cytochrome C oxidase - CCO).

Mentre la tecnologia esistente può fornire informazioni in tempo reale sul fatto che il cervello stia ricevendo ossigeno, questo nuovo dispositivo fornisce informazioni sulla capacità delle cellule cerebrali di utilizzare tale ossigeno. Ciò potrebbe consentire la diagnosi di commozioni cerebrali a margine di un evento atletico. In alternativa, potrebbe fornire un rapido feedback quando i medici regolano il trattamento in sala operatoria o in una unità di terapia intensiva.

Il dottor Mohammed Islam, (1) professore di ingegneria elettrica e informatica, assieme ai suoi collaboratori del Michigan Medicine, Kinesiology e del College of Literature, Science and the Arts, ci hanno raccontato come funziona la nuova tecnica.

A quali tipi di pazienti potrebbero essere d'aiuto?

Il dottor Steven Broglio, (2) direttore del Michigan Concussion Center, risponde: «Commozioni cerebrali in atletica leggera sono state sotto i riflettori per il decennio precedente, ma anche i soldati sono ad alto rischio. La commozione cerebrale può succedere a chiunque. Al momento, non esiste un test in grado di diagnosticare una commozione cerebrale. Non c'è scansione, nessun esame del sangue, nessun esame al computer. Momentaneamente ci affidiamo a un esame clinico e all'interpretazione da parte del medico, quindi la diagnosi è soggettiva. Riteniamo che questa tecnologia sia il primo passo per cambiarla misurando il metabolismo cerebrale, portando potenzialmente a diagnosi più rapide e più certe. Più velocemente si identifica una commozione cerebrale, maggiormente si può iniziare il processo di recupero e di riposo con lo scopo di tornare gradualmente alla normale attività. La ricerca degli ultimi dieci anni ha dimostrato che riposare prima può ridurre i tempi di recupero, aiutando le persone a tornare a scuola, al lavoro e al servizio militare.»

Rachel Russo, (3) traumatologo e chirurgo di emergenza, spiega: «questo dispositivo potrebbe guidare il trattamento di lesioni cerebrali più gravi e altre condizioni che mettono a rischio il cervello. Nella sua più ampia applicazione, potrebbe aiutare i pazienti la cui pressione sanguigna scende così tanto che non c'è abbastanza flusso sanguigno per mantenere le cellule normalmente funzionanti. Questo può accadere quando una persona è molto malata o perché ha perso troppo sangue. Dobbiamo tenerli in osservazione: la loro pressione sanguigna deve essere abbastanza alta da fornire ossigeno alle cellule e abbastanza bassa da scoraggiare il sanguinamento nei tessuti feriti.»

Nel pronto soccorso e nell'unità di terapia intensiva i pazienti vengono talvolta tenuti in coma farmacologico mentre guariscono da lesioni cerebrali traumatiche. Questo sarebbe il primo dispositivo in grado di monitorare l'evoluzione del percorso di guarigione delle cellule cerebrali.

Cosa ti dice la misurazione del Citocromo-c ossidasi?

Ioulia Kovelman, (4) professoressa associata di psicologia: «può dirci se il tessuto è sano e sta metabolizzando o “assimilando” correttamente - come un cervello di un individuo sano rispetto al cervello di una persona che ha subito una commozione cerebrale o ha la malattia di Alzheimer, amiotrofica sclerosi laterale (SLA) o altri tipi di disfunzione cerebrale o trauma.»

Russo Rachel: «il CCO diminuisce quando le cellule sono in difficoltà. Una delle sfide è che non sappiamo se esiste una soglia universale che segnala un problema, il modo in cui abbiamo intervalli normali per diversi marker quando eseguiamo un emocromo. Questa è una delle aree che vogliamo esplorare in futuro. Ma anche senza una soglia di azione, crediamo di poter osservare come il metabolismo cellulare di un paziente cambi nel tempo e come si possa correlarlo con altri segni vitali. Questo potrebbe darci una prima indicazione di come i pazienti si stanno riprendendo e se è necessario un trattamento più aggressivo.»

In che modo il dispositivo misura il citocromo C ossidasi (called cytochrome C oxidase - CCO)?

Mohammed Islam: «c'è una parte di CCO che è eccitata dalla luce con lunghezze d'onda comprese tra 750 nanometri e 900 nanometri. Se pizzichi una corda su un violino, senti la sua frequenza di risonanza. Se vuoi, CCO ha una corda che pizzichiamo con il nostro laser e vediamo la frequenza di risonanza nella luce che registriamo.»

Perché non è stato fatto prima?

Mohammed Islam: «esperimenti precedenti hanno utilizzato lampade a infrarossi, ma il segnale dal citocromo C ossidasi (called cytochrome C oxidase - CCO) non è molto distinto. L'emoglobina, che ci parla dei livelli di ossigeno nel sangue, risponde anche alla gamma di lunghezze d'onda che utilizziamo per sondare il CCO, ed è da dieci a venti volte più abbondante nel tessuto umano. Avevamo bisogno di un segnale più forte dal CCO per distinguerlo dall'emoglobina e da altre molecole nel corpo e abbiamo ottenuto una risposta più forte utilizzando un laser che è quasi dieci volte più luminoso delle lampade. L'aumento della luminosità, insieme alle tecniche di misurazione per sopprimere il rumore durante le misurazioni, è stato fondamentale per consentire le misurazioni conclusive del CCO durante i test di attenzione cognitiva con un dispositivo portatile e non invasivo. Tali test di attenzione vengono spesso utilizzati con pazienti con commozione cerebrale.»

Cosa hanno dimostrato i tuoi esperimenti?

Mohammed Islam: «nel nostro studio, abbiamo chiesto ai partecipanti di completare un compito di attenzione sviluppato dal dottor Daniel Weissman, un professore di psicologia, cognizione e neuroscienze cognitive. Questo compito può essere utilizzato per studiare un'attenzione sana, come lo sviluppo dell'attenzione nei bambini o la disfunzione dell'attenzione in soggetti che potrebbero avere una lesione cerebrale o una commozione cerebrale. Mentre gli individui stavano completando questo compito di attenzione, abbiamo visto un aumento del flusso di sangue ossigenato al loro lobo frontale - la parte del cervello che si trova dietro la nostra fronte ed è essenziale per poter partecipare. Insieme all'aumento del flusso sanguigno ossigenato, abbiamo anche visto un cambiamento nello stato redox CCO del cervello - in altre parole, con l'aumentare dell'apporto di ossigeno, aumentava anche il consumo di ossigeno da parte dei neuroni del lobo frontale che erano occupati a compito. Ciò significa che il nostro nuovo metodo può misurare efficacemente il metabolismo cerebrale, un indice della funzione cerebrale.»

Tutte le cellule usano ossigeno ed energia, non solo nel cervello. Questo dispositivo può cercare problemi in altri organi?

Rachel Russo: «pensiamo che possa. Dovremmo regolare la profondità della misurazione, ma potremmo essere in grado di osservare altri organi a rischio patologico, ad esempio cuore, polmoni o reni.»

Steven Broglio è anche professore di allenamento atletico presso la School of Kinesiology presso la U-M. Rachel Russo è anche docente clinico in chirurgia presso la Michigan Medicine.

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Riferimenti:

(1) Mohammed Islam

(2) Steven Broglio

(3) Rachel Russo

(4) Ioulia Kovelman

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Toward a portable concussion detector that relies on an infrared laser