Operacje kolana na chrząstce łąkotki są częstym zabiegiem na szczególnie skomplikowanej części ciała człowieka. Badacze Empa chcą zapewnić klinicystom lepszą podstawę, aby zmniejszyć ryzyko operacji. Wykorzystując modele 3D oparte na analizach mikrotomografii komputerowej w laboratorium, mapują sieć naczyń krwionośnych łąkotki w skali nanometrowej.

Staw kolanowy jest niezwykle złożonym biomechanicznym osiągnięciem ewolucyjnym. Każdy, kto doznał tam kontuzji, zna bolesną próbę cierpliwości podczas diagnozy i terapii. Nietrywialnym graczem w orkiestrze anatomicznej stawu złożonego jest chrząstka łąkotki. Naukowcy z projektu Empa tworzą obecnie „mapę 3D” cennej chrząstki.

Poduszka w kształcie półksiężyca

Jako poduszka ślizgowa w kształcie półksiężyca, łąkotka absorbuje wstrząsy i umożliwia płynny ruch pomiędzy górną i dolną częścią nogi. Jednakże dwie łąkotki na kolanie są podatne na zużycie i obrażenia. Na przykład około jedno na trzy kolana w populacji w wieku 40 lat i więcej wykazuje znaczne zużycie łąkotki, a około 15 procent wszystkich wypadków związanych ze stawem kolanowym dotyczy łąkotki. Według firmy ubezpieczeniowej Suva same wypadki te powodują roczne koszty opieki zdrowotnej w Szwajcarii przekraczające 650 milionów franków szwajcarskich.

Jeśli zabieg chirurgiczny ma zostać wykonany na kolanie, łąkotka na ogół nie jest korzystnym kandydatem, ponieważ tak zwana tkanka chrzęstno-włóknista jest zaopatrywana w krew tylko w niektórych jej odcinkach. Dokładna znajomość tego cennego splotu naczyniowego pomaga zwiększyć szanse na wyleczenie. Jednak do tej pory informacje opierały się na dwuwymiarowych obrazach skrawków tkanek. Oznacza to utratę cennych danych, na przykład dotyczących odkształcalności tkanki lub wzajemnych połączeń naczyń.

Chcemy stworzyć trójwymiarową „mapę” poprzez menisk z dużą precyzją.”

Federica Orellana, Centrum Analiz Rentgenowskich Empa, Dübendorf

Według biofizyka mogłoby to zoptymalizować leczenie i umożliwić terapie dostosowane do indywidualnych potrzeb w sensie medycyny spersonalizowanej.

Poniżej granicy milimetra

W ramach tego projektu, finansowanego przez Szwajcarską Narodową Fundację Nauki (SNSF), Federica Orellana i główna badaczka projektu, Annapaola Parrilli, dążą do poziomu dokładności, którego nie można osiągnąć za pomocą sprzętu stosowanego w szpitalach. W porównaniu z milimetrową rozdzielczością klinicznej tomografii komputerowej, tomografy mikro- i nanokomputerowe w laboratoriach Empa mogą osiągać nawet wartości poniżej granicy mikrometrów. Na podstawie tych obrazów radiologicznych naukowcy tworzą modele matematyczne, które można wykorzystać do rejestrowania i mapowania gęstości, struktury, odkształcalności biomechanicznej i sieci naczyń chrząstki w przestrzeni.

Wraz z partnerami klinicznymi z Istituto Ortopedico Rizzoli w Bolonii, szpitala kantonalnego Winterthur i Uniwersytetu w Zurychu naukowcy pracują obecnie z dużą liczbą próbek laboratoryjnych, aby stworzyć możliwie najbardziej znaczącą bazę danych. Wstępne symulacje komputerowe już pokazują rozgałęzione żyły w menisku z obiecującą precyzją. Obrazy mikro-CT obrazują złożoność strukturalną tkanki łąkotki, a w modelowaniu matematycznym umożliwiają także uzyskanie dalszych informacji, takich jak porowatość lub stopień krętości naczyń krwionośnych.

Federica Orellana pracuje obecnie nad atlasem 3D próbek zdrowej tkanki łąkotki. W następnym kroku do modeli zostaną włączone obrazy tomografii komputerowej wszelkiego rodzaju urazów i zużycia. W ten sposób pacjenci mogliby uzyskać istotne informacje na temat potencjału samoleczenia tkanki bezpośrednio podczas badania, a strategie indywidualnego leczenia mogłyby zostać zoptymalizowane. Biofizyk podkreśla, że ​​mapę 3D można wykorzystać zarówno w przypadku pacjentów powypadkowych, jak i procesów zużycia w starszym wieku.