Fino ad ora, i medici dovevano affidarsi a radiografie e TAC per ottenere immagini sporadiche del sito della frattura. Ganse e il suo team hanno pubblicato i loro risultati sulle riviste "Biosensors and Bioelectronics" e "Journal of Functional Biomaterials".
Immaginate di estrarre dalla tasca un piccolo dispositivo, posizionarlo sulla pelle in corrispondenza della zona fratturata e, in pochi secondi, sapere come sta procedendo la guarigione. Se è stato applicato un gesso, ci sarebbe una piccola apertura per consentire il contatto con la pelle. Questa intrigante idea potrebbe presto entrare a far parte del monitoraggio post-operatorio standard in tutto il mondo. Il nuovo metodo consente un monitoraggio preciso del flusso sanguigno e dei livelli di ossigeno nel sangue del tessuto fratturato senza la necessità di radiazioni a onde corte dannose. "I dispositivi disponibili in commercio per esaminare il flusso sanguigno e la saturazione di ossigeno nella pelle e nei muscoli utilizzano LED e luce laser non dannosi, sufficientemente luminosi da penetrare nel tessuto osseo sottostante", spiega Bergita Ganse. In collaborazione con il suo team presso l'Università della Saarland, Ganse ha scoperto che questi dispositivi possono essere utilizzati anche per monitorare il processo di guarigione delle fratture ossee. Il team ha recentemente dimostrato il successo di questo approccio applicando la metodologia a uno studio su pazienti con fratture tibiali.
“Il nostro metodo non intende sostituire le radiografie. Lo consideriamo un utile complemento, un metodo di monitoraggio rapido che fornisce informazioni aggiuntive in aree in cui le tecniche esistenti presentano delle lacune”, spiega Bergita Ganse, titolare della cattedra Werner Siemens Foundation per lo sviluppo innovativo di impianti presso il Saarland University Medical Campus di Homburg. Fino ad ora, le fratture ossee venivano monitorate mediante radiografie o TAC, che esponevano il paziente a radiazioni ad alta energia, un'esposizione che non può essere ripetuta troppo frequentemente. “Un altro svantaggio dell'utilizzo di radiografie e TAC è il ritardo nel rilevamento delle prime fasi del processo di guarigione delle ossa”. Durante la guarigione di una frattura, si forma tessuto osseo molle nella zona della frattura, ma la densità ossea non è ancora sufficientemente elevata da essere rilevata dalle radiografie. "L'aumento della densità ossea si verifica quando i sali di calcio si depositano nel sito della frattura (mineralizzazione), ma questo avviene solo in una fase successiva del processo di guarigione", spiega Bergita Ganse, chirurgo traumatologo e fisiologo. Prima che avvenga la mineralizzazione, il processo di guarigione è praticamente invisibile, il che rende difficile determinare se la frattura stia guarendo correttamente. "Le TAC e le radiografie forniscono solo istantanee, ma ciò che accade tra due scansioni o due immagini è in gran parte invisibile", afferma Ganse.
La nuova tecnica sviluppata nel Saarland consente un monitoraggio continuo e non invasivo della guarigione ossea direttamente attraverso la pelle. Di conseguenza, i pazienti possono comprendere meglio l'andamento del processo di guarigione. Questo monitoraggio aggiuntivo del sito di frattura permette di individuare precocemente potenziali complicanze. "Sappiamo, grazie agli studi sulle fratture della parte inferiore della gamba, che le complicanze si verificano in 14 casi su 100, ma spesso vengono rilevate solo in fase avanzata", spiega il professor Ganse. "Prima riusciamo a individuare un problema, prima possiamo intervenire, e un intervento precoce può migliorare significativamente la prognosi del paziente. Disponiamo di una vasta gamma di strumenti per trattamenti correttivi mirati, come ultrasuoni pulsati, terapia con onde d'urto e terapia con campi magnetici", afferma Ganse. A volte il problema è di natura meccanica: "Potrebbe esserci semplicemente un eccessivo movimento nell'area della frattura, che può compromettere il processo di riparazione e richiedere una fissazione migliore".
Il professor Ganse intravede un grande potenziale nella diffusione di questa tecnologia di monitoraggio: "Dispositivi di monitoraggio piccoli ed economici potrebbero migliorare il trattamento delle fratture in contesti che non hanno accesso ad apparecchiature grandi e costose, come le macchine a raggi X, soprattutto nei paesi con risorse limitate o nelle aree remote".
La riparazione delle fratture è un processo complesso che si compone di diverse fasi. Bergita Ganse spiega il processo di rigenerazione ossea: "Inizialmente, una sottile struttura di tessuto connettivo composta da tessuto fibroso inizia a legare la frattura. Nel tempo, si forma nuovo tessuto osseo che viene gradualmente irrorato di sangue man mano che si sviluppano nuovi vasi sanguigni". Il team dell'Università della Saarland ha studiato nel dettaglio il processo di guarigione delle fratture e ha misurato come cambiano il flusso sanguigno e la saturazione di ossigeno con il progredire della riparazione ossea. In due studi separati, Ganse e i suoi dottorandi Oana Scholz e Cedric Nowicki hanno monitorato il processo di guarigione in 55 pazienti con fratture tibiali per diversi mesi e hanno confrontato i loro dati con un gruppo di controllo di 51 individui sani. I risultati sono stati sorprendenti: "Il flusso sanguigno e la saturazione di ossigeno seguono uno schema molto caratteristico durante la rigenerazione ossea", afferma Ganse. Questa è la prima volta che vengono effettuate osservazioni così dettagliate del processo di guarigione delle fratture su pazienti umani.
“Inizialmente, il flusso sanguigno aumenta bruscamente e raggiunge un picco. Dopo circa due o tre settimane, i livelli iniziano a diminuire di nuovo.” Anche la saturazione di ossigeno nel tessuto circostante la sede della frattura segue un andamento caratteristico: inizialmente scende al minimo per poi risalire dopo due o tre settimane, quando iniziano a formarsi nuovi vasi sanguigni. “Possiamo monitorare entrambi i processi con misurazioni relativamente semplici e non invasive”, spiega il professor Ganse. “Utilizziamo un dispositivo disponibile in commercio che combina la tecnologia laser Doppler per monitorare il flusso sanguigno con la spettroscopia a luce bianca per rilevare la saturazione di ossigeno nel tessuto. Se i valori non tornano alla normalità dopo alcune settimane, di solito è un segnale precoce che qualcosa non sta procedendo come dovrebbe.”.
I primi risultati del team suggeriscono che i modelli di flusso sanguigno e la saturazione di ossigeno variano a seconda della causa sottostante del ritardo nella guarigione. "Dato che finora abbiamo osservato solo pochi casi in cui la frattura non si è consolidata, sono necessarie ulteriori ricerche prima di poter trarre conclusioni definitive su queste differenze", afferma Bergita Ganse. Esistono molte ragioni per cui una frattura potrebbe non guarire correttamente. "Il paziente potrebbe essersi mosso troppo e non aver immobilizzato a sufficienza l'arto fratturato, oppure potrebbero esserci fattori di rischio associati, come il fumo o il cancro, che ostacolano la guarigione", spiega Ganse. "Con i raggi X, questi problemi diventano visibili solo in una fase relativamente avanzata. Ma il nostro metodo sembra in grado di rilevarli prima". Tuttavia, un limite attuale del metodo di monitoraggio basato sulla luce è la profondità di misurazione. "Al momento, non possiamo esaminare fratture che si trovano a più di cinque centimetri sotto la pelle", spiega Bergita Ganse.
Il team di Ganse sta lavorando anche su altri metodi innovativi per monitorare la guarigione delle fratture ossee, come l'utilizzo di materiali a memoria di forma auto-sensibili in grado di fornire dati sui cambiamenti di rigidità ed elasticità nel sito della frattura durante il processo di guarigione dell'osso.
La ricerca rientra nel progetto "Smart Implants", coordinato dal professor Ganse e finanziato con 8 milioni di euro dalla Fondazione Werner Siemens. Il progetto, della durata di cinque anni, prevede una collaborazione interdisciplinare tra gruppi di ricerca dell'Università della Saarland operanti nei settori della medicina, dell'ingegneria e dell'informatica. I team hanno già sviluppato diversi prototipi e brevetti per placche di frattura intelligenti. Questi impianti personalizzati sono progettati non solo per monitorare la guarigione dal momento dell'intervento chirurgico, ma anche per promuoverla attivamente, ad esempio fornendo una stimolazione micromeccanica al sito della frattura o regolando dinamicamente la rigidità dell'impianto. I dati della nuova ricerca sul monitoraggio tramite spettroscopia laser Doppler e luce bianca vengono ora integrati nella prossima generazione di questi impianti intelligenti. Attualmente, i team stanno lavorando alla miniaturizzazione della tecnologia in modo che possa essere incorporata nei chiodi intramidollari, che hanno una larghezza di pochi millimetri. Ulteriori finanziamenti europei sono stati ottenuti nell'ambito del programma Horizon Europe, come parte del progetto di ricerca SmILE (Smart Implants for Life Enrichment).
Ganse e il suo team ora puntano ad estendere la ricerca oltre le fratture tibiali e stanno lavorando per applicare il loro nuovo metodo ad altri tipi di fratture e difetti ossei. "Sono entusiasta di vedere con quanta rapidità questa tecnologia troverà applicazione sia nella ricerca che nella pratica clinica di routine", afferma la professoressa Ganse, che apporta una prospettiva unica grazie alla sua esperienza nella medicina spaziale. Ganse collabora con l'Agenzia Spaziale Europea (ESA), il Centro Aerospaziale Tedesco (DLR) e la NASA negli Stati Uniti, dove studia, tra le altre cose, come ossa e muscoli si degradano nello spazio. La sua ricerca ha contribuito allo sviluppo di programmi di allenamento che aiutano gli astronauti a contrastare questo tipo di degenerazione muscoloscheletrica durante le missioni di lunga durata.
