Los investigadores simulan y evalúan el daño a las células cerebrales causado por las burbujas durante un traumatismo craneal
La ilustración muestra cómo un traumatismo craneal puede crear microburbujas en el cráneo que colapsan y dañan las células cerebrales cercanas. Crédito: Mica Post
Digamos que hay un ataque con bomba en una base militar. Algunos de los soldados sufren conmociones cerebrales y otras lesiones cerebrales. ¿Algunas de las lesiones podrían ser causadas por pequeñas burbujas que se forman y colapsan dentro del cráneo durante un traumatismo craneal?
Investigadores de la Universidad Estatal de Iowa, con el apoyo de subvenciones de la Oficina de Investigación Naval, utilizan su experiencia en la fabricación de microestructuras para estudiar y describir el daño a las células cerebrales causado por la formación y colapso de microburbujas, un proceso conocido como cavitación.
Los investigadores informan sobre sus hallazgos en un artículo que aparece en la portada de la edición de julio de 2020 de la revista de investigación Global Challenges. Los autores principales son Nicole Hashemi, profesora asociada de ingeniería mecánica del estado de Iowa, y Alex Wrede, exestudiante de doctorado e investigador asociado posdoctoral en el laboratorio de Hashemi. (Consulte la barra lateral para ver a los otros coautores).
Los investigadores escriben que las microburbujas medidas en micras, es decir, millonésimas de metro, pueden formarse en el líquido cefalorraquídeo dentro del cráneo durante las lesiones cerebrales traumáticas.
Los investigadores escribieron que la «formación y colapso dramático» de estas microburbujas podría ser responsable de parte del daño en una lesión cerebral.
El daño de las burbujas puede sonar trivial. Pero se sabe que el colapso de la burbuja y las ondas de choque resultantes dañan los cimientos de acero de las hélices de los barcos. Los investigadores informan que estudios previos indican que la expansión y el colapso de las microburbujas crean fuerzas de 0,1 a 20 megapascales, o de 14,5 a 2900 libras por pulgada cuadrada.
«… Por lo tanto, es alarmante darse cuenta del daño que la cavitación afecta al tejido cerebral vulnerable», escribieron los investigadores.
Buscando cambios en las células cerebrales
Para probar y caracterizar el impacto de la cavitación dentro del cráneo, los investigadores simularon un cerebro crear una plataforma de cultivo celular tridimensional para células astrocíticas (células en forma de estrella en el cerebro y la médula espinal que son activas para apoyar, mantener y reparar el sistema nervioso central). Sumergieron la plataforma de cultivo celular en un pequeño tanque y crearon microburbujas de alrededor de 60 millonésimas de metro de tamaño. Algunas de las microburbujas se adhirieron al andamio de microfibra cargado de células.
Los investigadores encendieron un dispositivo ultrasónico en el tanque, colapsando las microburbujas y creando cavitación. (También usaron el dispositivo ultrasónico en un grupo de control de células que no fueron expuestas a la cavitación).
Los investigadores buscaron dos tipos de efectos:
Primero, usaron un microscopio para registrar cualquier cambio morfológico en las células. En segundo lugar, trabajaron con colegas de la Facultad de Medicina Veterinaria del estado de Iowa para evaluar si había cambios genéticos en las células.
Los investigadores descubrieron que la cavitación hacía que las células se encogieran y endurecieran sus superficies. Las células parecían alargarse y crecer cuando se tomaron imágenes 22 y 48 horas después de la cavitación. Aun así, los investigadores encontraron que el crecimiento celular después de 48 horas, en términos de área de superficie, era aproximadamente la mitad que las células de control.
Los investigadores también encontraron que las células dañadas por la cavitación tenían una expresión elevada de genes como TNF – e IL-6, que están asociados con afecciones inflamatorias como la infección por el virus SARS-CoV-2 y trastornos neurológicos como las enfermedades de Parkinson y Alzheimer.
«Tomados en conjunto, estos resultados confirman que la cavitación circundante es perjudicial para la función astrocítica», escribieron los investigadores.
Diseñar mejores cascos
Hashemi dijo que mientras los médicos buscan tratamientos para el daño cerebral causado por la cavitación, dijo que los ingenieros pueden trabajar para identificar los lugares del cerebro donde es más probable que ocurra la cavitación.
«Un mapa de ubicación de la cavitación puede usarse directamente para diseñar un casco que amortigüe la fuerza y reduzca la posibilidad de cavitación», escribieron los investigadores.
Y aunque este estudio se centra sobre los cascos militares, Hashemi dijo que las mismas ideas podrían aplicarse a los cascos de fútbol y otros deportes.
«Esta investigación analiza las aplicaciones en el campo de batalla, pero en el fútbol hay impactos y ondas de choque similares», dijo Hashemi. . «Los jugadores sufren formas leves de lesiones cerebrales traumáticas. Es posible que los jugadores no se den cuenta, pero los efectos de las lesiones por cavitación estarían ahí».
Wrede, exestudiante de posgrado de Hashemi que ahora trabaja como ingeniero de modelado de sistemas dinámicos para John Deere en Dubuque, dijo que el proyecto le ha enseñado que hay una gran necesidad de más investigación y desarrollo.
«Las personas que han servido a nuestro país y regresan con lesiones realmente confían en la investigación para encontrar respuestas, » él dijo. «Las respuestas podrían mejorar la calidad de vida de nuestros veteranos y de todos los que tienen la mala suerte de sufrir una lesión cerebral traumática».
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Los investigadores proponen una definición generalizada de la intensidad de la cavitación Más información: Alex H. Wrede et al, Characterization of Astrocytic Response after Experiencing Cavitation In Vitro, Global Challenges (2020). DOI: 10.1002/gch2.201900014 Proporcionado por la Universidad Estatal de Iowa Cita: Los investigadores simulan, evalúan el daño a las células cerebrales causado por burbujas durante un traumatismo craneal (23 de julio de 2020) consultado el 31 de agosto de 2022 en https:// medicalxpress.com/news/2020-07-simulate-brain-cells-trauma.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.