Arteriosclerosi? Le cause si studiano in 3D

Medicina, fisica, matematica e informatica insieme per comprendere i meccanismi biomeccanici che determinano l’insorgenza di malattie cardiovascolari. A realizzare una mappatura tridimensionale del flusso sanguigno, il Cnr e l’Università di Harvard.

A partire da immagini acquisite con la Tac (Tomografia assiale computerizzata), è possibile realizzare al computer una mappatura del flusso emodinamico su grande scala per comprendere i meccanismi alla base delle malattie cardiovascolari, come l’arteriosclerosi. Si è giunti a questo risultato grazie a un gruppo di ricerca in collaborazione tra l’Istituto dei processi chimico fisici (Ipcf) e l’Istituto per le applicazioni del calcolo (Iac) del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr) e l’Università di Harvard.  

L’arteriosclerosi è una malattia cronica, progressiva e clinicamente silente che si manifesta in modo devastante. Sebbene il suo sviluppo dipenda da fattori di rischio sistemici, come colesterolo elevato, diabete o ipertensione, la manifestazione clinica è legata soprattutto a un accumulo di lipidi e di cellule infiammatorie all’interno delle pareti coronariche.

“Da alcuni anni la comunità scientifica ritiene che lo sviluppo delle placche arteriosclerotiche sia collegato a una serie di disturbi fluidodinamici della circolazione sanguigna”, spiega Simone Melchionna, ricercatore Ipcf-Cnr e coordinatore del progetto. “Da qui l’idea di studiare le condizioni che determinano la manifestazione delle malattie cardiovascolari e dei disturbi fluidodinamici, attraverso l’individuazione delle cause biomeccaniche del problema”. 

Al centro dello studio, l’utilizzo di una tecnologia in rapido sviluppo basata sulle Gpu, le cosiddette schede grafiche ad alte prestazioni. “Attraverso queste schede, presenti in qualsiasi computer per visualizzare un’immagine o animare un videogioco, è possibile simulare sistemi di diverse dimensioni con decine di miliardi di variabili e miliardi di globuli rossi”, illustra ancora il ricercatore. “Per quanto riguarda invece la mappatura del sangue, solitamente si parte dalle immagini bidimensionali acquisite mediante la Tac di una particolare zona del corpo, ad esempio le coronarie o la carotide, ricostruendo tridimensionalmente la topologia cardiovascolare. I grandi vasi vengono quindi inseriti all’interno dello strumento computazionale, consentendo così di studiare non solo gli elementi costitutivi del sangue, ma anche la sua capacità di adattamento e la sua plasticità in caso di problemi fluidodinamici legati a malattie cardiovascolari”.

L’apparecchiatura, al pari di una tomografia, è poco più grande di un computer ordinario e può essere alloggiato in un qualsiasi ambulatorio, direttamente utilizzabile dal medico. Lo strumento, già in uso presso l’Università di Harvard, si sta affermando anche in Italia dove sta crescendo l’interesse per il calcolo emodinamico, come dimostrato dai progetti di studio in corso con la Fondazione Toscana Gabriele Monasterio e la Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa.

“L’arteriosclerosi”, conclude Simone Melchionna, “è la patologia più diffusa del sistema arterioso e, insieme alle altre malattie cardiovascolari, costituisce la principale causa di decesso nei paesi industrializzati, di cui circa il 50% in modo improvviso e asintomatico, senza sottovalutare le gravi conseguenze invalidanti successive a episodi quali infarto, trombosi o ictus”. Il progetto, continua il ricercatore, “apre nuove strade nella comprensione delle cause profonde delle malattie cardiovascolari, offrendo valide indicazioni anche sul piano chirurgico e terapeutico, oltre che della prevenzione, tanto che i risultati ottenuti hanno valso al gruppo di ricerca la selezione come finalisti al prestigioso premio Gordon Bell per il secondo anno consecutivo”.

La scheda
Chi: Istituto dei processi chimico fisici (Ipcf), Istituto per le applicazioni del calcolo (Iac), del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr), Università di Harvard
Che cosa: mappatura tridimensionale del flusso sanguigno. Lo studio Endothelial shear stress from large-scale blood flow simulations è stato pubblicato su Philosophical transactions of the Royal Society