Transparent skull window has promise for brain condition diagnosis and treatment / finestra trasparente nel cranio ha promesso la condizione per diagnosi e trattamento del cervello. 

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Joseph Cotellessa

People with a wide range of brain disorders could benefit from the development of a transparent material that can be implanted into the skull to allow lasers to be used in diagnostics and therapy without causing any adverse immune response.

Based on a ceramic used commonly in bone implants, the material has been developed by materials scientists at the University of California at Riverside (UC Riverside) as part of a ongoing international project called ‘Window on the Brain’, the purpose of which is to develop a system by which therapy can be applied to the brain without the need for repeated craniotomies, operations which involve the removal of part of the skull that are traumatic for he patient and can carry the serious risk of infections.

‘Window on the Brain’ is intended to help improve the care of people with brain tumours, damage from stroke and neurodegenerative disorders. Rather than having to perform a craniotomy to access brain tissue directly, the idea is to place a single transparent implant of a rigid material that can still perform the skull’s protective function but allow laser energy to be used to selectively heat tissue as part of a therapy programme, to destroy diseased or cancerous tissue or cauterise damaged blood vessels that could cause cerebral haemorrhage.

The UC Riverside team developed a nanocrystalline, transparent form of the ceramic yttria-stabilised zirconia, which is used in hip implants and dental crowns, and implanted it into the skull of a hamster, where, they report in a paper in the journal Nanomedicine, it fused with the living tissue and caused no immune response. The zirconia mineral is more impact-resistant and biocompatible then titanium, thermoplastic polymers and glass-based materials that have been developed by other members of the Windows consortium, making it “ the only implant material that could conceivably be used in humans,’ the researchers claim. The team performed a series of laser-based diagnostics, including transillumination and fluorescent microscopy, to measure   white blood cell adhesion to the implant, blood vessel size and blood flow rate directly from the living brain tissue with no ill-effects.

In another set of experiments, a team including Windows project leader Guillermo Aguilar, a mechanical engineer at Riverside, tested whether the implant could be used to fend off a common side-effect of skull implants, infections of Escherichia coli which grows in a biofilm on the inside of the implant.

“This was an important finding because it showed that the combination of our transparent implant and laser-based therapies enables us to treat not only brain disorders, but also to tackle bacterial infections that are common after cranial implants,” said UC Riverside neurosurgeon Devin Binder, who was part of the research team. “These infections are especially challenging to treat because many antibiotics do not penetrate the blood brain barrier.”

The experiment involved placing a zirconium window on top of a heated pad with a slice of agar jelly on which they cultured a fluorescent E. coli colony. In a paper in the journalLasers in Surgery and Medicine they explain how used an infra-red laser with light wavelength 810nm, and how using a pulsed laser effectively kills the bacteria without increasing the temperature of the agar, indicating that it could be used to treat infection without damaging the brain.

ITALIANO 

Persone con una vasta gamma di disturbi cerebrali potrebbero beneficiare dallo sviluppo di un materiale trasparente che può essere impiantato nel cranio per consentire l'utilizzo del laser in diagnostica e terapia senza causare alcuna risposta immunitaria avversa.

Sulla base di una ceramica utilizzata comunemente in impianti ossei, il materiale è stato sviluppato da scienziati dei materiali presso l'Università della California a Riverside (UC Riverside) come parte di un progetto internazionale in corso chiamato 'Finestra sul cervello', il cui scopo è quello di sviluppare un sistema mediante il quale la terapia può essere applicata al cervello senza la necessità di craniotomie ripetute con operazioni che comportano l'asportazione di parte del cranio che è traumatico per lui paziente e può trasportare il grave rischio di infezioni.

'Finestra sul cervello' ha lo scopo di contribuire a migliorare la cura delle persone con tumori al cervello, danni da ictus e malattie neurodegenerative. Anziché dover eseguire una craniotomia per accedere direttamente tessuto cerebrale, l'idea è di mettere un singolo impianto trasparente di un materiale rigido che può ancora svolgere funzione protettiva del cranio, ma consentire all'energia del laser da utilizzare per riscaldare selettivamente il tessuto come parte di una terapia di un programma, per distruggere il tessuto malato o canceroso o cauterizzare i vasi sanguigni danneggiati che potrebbero causare emorragia cerebrale.

Il team UC Riverside ha sviluppato un nanocristallino, forma trasparente della ceramica zirconia ossido di ittrio-stabilizzato, che è utilizzato in protesi d'anca e corone dentali, e impiantato nella cranio di un criceto, dove, riferiscono in un articolo sulla rivista Nanomedicine, è fusa con il tessuto vivente e non ha causato la risposta immunitaria. Il minerale di ossido di zirconio è più resistente agli urti e biocompatibile del titanio, polimeri termoplastici e materiali a base di vetro che sono stati sviluppati da altri membri del consorzio di Windows, il che rende "l'unico materiale da impianto che, concettualmente, potrebbe essere utilizzato negli esseri umani. Il gruppo ha eseguito una serie di diagnostica basata sul, tra cui la transilluminazione e la microscopia a fluorescenza, per misurare l'adesione delle cellule del sangue per l'impianto, le dimensioni dei vasi sanguigni e la velocità del flusso sanguigno direttamente dal tessuto cerebrale vivente, senza effetti negativi.

In un'altra serie di esperimenti, un gruppo tra cui il leader di progetto di Windows Guillermo Aguilar, un ingegnere meccanico a Riverside, testato se l'impianto potrebbe essere utilizzato per respingere un comune effetto collaterale di impianti cranio, infezioni di Escherichia coli che cresce in un biofilm su all'interno dell'impianto.

"Questa è stata una scoperta importante perché ha mostrato che la combinazione del nostro impianto trasparente e terapie laser-based ci permette di trattare non solo i disturbi cerebrali, ma anche per affrontare le infezioni batteriche che sono comuni dopo protesi craniche", ha detto UC Riverside neurochirurgo Devin Binder , che faceva parte del gruppo di ricerca. "Queste infezioni sono particolarmente difficili da trattare perché molti antibiotici non penetrano la barriera ematoencefalica."

L'esperimento ha coinvolto ponendo una finestra di zirconio sopra un tampone riscaldato con una fetta di gelatina agar su cui sono state coltivate una colonia di E. coli. In un documento in journal Lasers in Chirurgia e Medicina spiegano come utilizzato un laser a infrarossi di luce 810 nm di lunghezza d'onda, e come utilizzando un laser pulsato si uccide efficacemente i batteri senza aumentare la temperatura dell'agar, indicando che potrebbe essere usato per trattare l'infezione senza danneggiare il cervello.

Da:

http://www.theengineer.co.uk/transparent-skull-window-has-promise-for-brain-condition-diagnosis-and-treatment/?cmpid=tenews_2459049

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