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Svolta nella fisica della coagulazione del sangue

(Coagulazione del sangue-Immagine Credit Public Domain).

Comprendere meglio come funziona il processo di coagulazione del sangue e come accelerare o rallentare la coagulazione, a seconda delle esigenze mediche, potrebbe salvare vite umane. Infarti e ictus, le principali cause di morte negli esseri umani, sono fondamentalmente causati da coaguli di sangue nel cuore e nel cervello.

Una ricerca del Georgia Institute of Technology e della Emory University, pubblicata sulla rivista Biomaterials, getta nuova luce sulla meccanica e sulla fisica della coagulazione del sangue attraverso la modellazione delle dinamiche in gioco durante una fase ancora poco conosciuta della coagulazione del sangue chiamata contrazione del coagulo.

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La coagulazione del sangue è in realtà un fenomeno basato sulla fisica che deve verificarsi per arginare il sanguinamento dopo un infortunio”, ha affermato Wilbur A. Lam, W. Paul Bowers Research Chair del Dipartimento di Pediatria e del Dipartimento di Ingegneria Biomedica del Wallace H. Coulter in Georgia Tecnologia ed Emory. “La biologia è nota. La biochimica è nota. Ma come questo alla fine si traduca in fisica è un’area non sfruttata“. “E questo è un problema”, sostengono Lam e i suoi colleghi ricercatori, “dal momento che la coagulazione del sangue riguarda in definitiva “quanto bene può fare il corpo su questo vaso sanguigno danneggiato per fermare l’emorragia o quando questo va storto, come fa il corpo a formare accidentalmente coaguli nei nostri vasi cardiaci o nel nostro cervello?”.

Come funziona la coagulazione del sangue

I cavalli di battaglia per arginare il sanguinamento sono le piastrine, minuscole cellule di 2 micrometri nel sangue incaricate di creare il tappo iniziale. Il coagulo che si forma è chiamato fibrina, che funge da impalcatura di colla a cui le piastrine si attaccano. La contrazione del coagulo di sangue si verifica quando queste piastrine interagiscono con l’impalcatura di fibrina. Per dimostrare la contrazione, i ricercatori hanno utilizzatoto uno stampo Jell-O di 3 millimetri con milioni di piastrine e fibrina per ricreare una versione semplificata di un coagulo di sangue. “Quello che non sappiamo è: ‘Come funziona?’ ‘Qual è il momento in cui tutte queste cellule lavorano insieme? Tirano tutte contemporaneamente?’. Queste sono le domande fondamentali a cui abbiamo lavorato insieme per rispondere”, ha detto Lam.

Il laboratorio di Lam ha collaborato con il gruppo di modellazione e simulazione dei fluidi complessi della Georgia Tech guidato da Alexander Alexeev, Professore e membro della Facoltà di Anderer presso la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering, per creare un modello computazionale di un coagulo in contrazione. Il modello incorpora fibre di fibrina che formano una rete tridimensionale e piastrine distribuite che possono estendere i filopodi, o le strutture simili a tentacoli che si estendono dalle cellule in modo che possano attaccarsi a superfici specifiche, per tirare le fibre vicine.

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Il modello mostra le piastrine che riducono drasticamente il volume del coagulo

Quando i ricercatori hanno simulato un coagulo in cui veniva attivato contemporaneamente un grande gruppo di piastrine, le minuscole cellule potevano raggiungere solo le fibrine vicine perché le piastrine possono estendere filopodi piuttosto corti, meno di 6 micrometri. “Ma in un trauma, alcune piastrine si contraggono per prima. Rimpiccioliscono il coagulo in modo che le altre piastrine vedranno più fibrine nelle vicinanze e questo aumenta efficacemente la forza del coagulo“, ha spiegato Alexeev. A causa dell’attività asincrona delle piastrine, l’aumento della forza può arrivare fino al 70%, portando a una diminuzione del 90% del volume del coagulo.

“Le simulazioni hanno mostrato che le piastrine funzionano meglio quando non sono completamente sincronizzate tra loro“, ha detto Lam. “Queste piastrine in realtà tirano in momenti diversi e così facendo aumentano l’efficienza del coagulo“. Questo fenomeno, chiamato dal team amplificazione meccanica asincrona, è più pronunciato “quando abbiamo la giusta concentrazione di piastrine corrispondente a quella di pazienti sani”, ha detto Alexeev.

La ricerca potrebbe portare a modi migliori per trattare problemi di coagulazione e sanguinamento

“I risultati potrebbero aprire la strada a nuove opzioni mediche per le persone con problemi di coagulazione”, ha affermato Lam, che tratta i giovani pazienti con disturbi del sangue come ematologo pediatrico presso l’Aflac Cancer and Blood Disorders Center presso il Children’s Healthcare di Atlanta. “Se sappiamo perché questo accade, allora abbiamo una potenziale via completamente nuova di trattamenti per le malattie della coagulazione del sangue”, ha detto Lam, sottolineando che infarti e ictus si verificano quando questo processo biofisico va male.

Lam ha spiegato che la messa a punto del processo di contrazione per renderlo più veloce o più robusto potrebbe aiutare i pazienti che sanguinano a causa di un incidente d’auto o, in caso di infarto, potrebbe rendere la coagulazione meno intensa e rallentarla.

Una svolta nella fisica della coagulazione del sangue
(Da sinistra a destra) I ricercatori Wilbur Lam, Alexander Alexeev e Yueyi Sun sperano che le loro scoperte offrano nuove opzioni mediche alle persone con problemi di coagulazione. Credito: Reginald Tran, Georgia Tech.

Comprendere la fisica di questa contrazione del coagulo potrebbe potenzialmente portare a nuovi modi per trattare problemi di sanguinamento e problemi di coagulazione”, dice Alexeev che ha aggiunto che la loro ricerca potrebbe anche portare a nuovi biomateriali come un nuovo tipo di cerotto che potrebbe aiutare ad aumentare il processo di coagulazione.

Primo autore dello studio del Georgia Tech, Yueyi Sun ha notato la semplicità del modello e il fatto che le simulazioni hanno permesso al team di capire come le piastrine lavorano insieme per contrarre il coagulo di fibrina nel corpo.

“Quando abbiamo iniziato a includere l’attivazione eterogena, improvvisamente ci ha dato la corretta contrazione del volume”, ha detto. “Penso che il nostro modello possa essere potenzialmente utilizzato per fornire linee guida per la progettazione di nuovi materiali biologici e sintetici attivi”. Sun è d’accordo con i suoi colleghi di ricerca sul fatto che questo fenomeno potrebbe verificarsi in altri aspetti della natura. 

“In teoria potrebbe essere un principio ingegnerizzato”, ha detto Lam. “Perché una ferita si restringa di più, forse non abbiamo le reazioni chimiche che si verificano contemporaneamente, forse abbiamo reazioni chimiche diverse che si verificano in momenti diversi. Ottieni una migliore efficienza e contrazione quando si lascia che la metà o tutte le piastrine fanno il lavoro insieme”. Basandosi sulla ricerca, Sun spera di esaminare più da vicino come una singola forza piastrinica si converte o viene trasmessa alla forza del coagulo e quanta forza è necessaria per tenere insieme due lati di un grafico dal punto di vista dello spessore e della larghezza. Sun intende anche includere i globuli rossi nel modello poiché rappresentano il 40% di tutto il sangue e svolgono un ruolo nella definizione della dimensione del coagulo.

“Se i tuoi globuli rossi sono troppo facilmente intrappolati nel coagulo, è più probabile che tu abbia un grosso coagulo che causa un problema di trombosi”, ha spiegato.

Fonte: Biomaterials

 

 

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