Sembrava un’idea semplice. Progettare un dispositivo che permetta a un occhio umano di rimanere vivo e funzionale al di fuori del corpo. Almeno per qualche ora. E poi per qualche giorno.
L’occhio però è un organo molto complesso. È anche collegato al cervello, motivo per cui i trapianti di occhio umano di successo sfuggono ancora a scienziati e chirurghi oculisti. È uno dei quattro organi che non sono mai stati trapiantati negli esseri umani, insieme al cervello, al midollo spinale e all’apparato uditivo dell’orecchio interno.
“L’occhio è unico perché richiede un flusso costante di sangue ossigenato”, ha affermato il Dott. David Tse, professore di oftalmologia e chirurgo orbitario, che ora dirige il progetto di trapianto di occhio intero del Bascom Palmer Eye Institute insieme a Daniel Pelaez, professore associato di oftalmologia. “Per garantire la vitalità dell’occhio di un donatore, dobbiamo mantenere questo flusso, o perfusione, ed evitare qualsiasi perdita di ossigenazione dei tessuti durante il processo di recupero e impianto dell’occhio.”
Mantenere funzionante la retina dell’occhio
Ecco perché Tse e Pelaez si sono rivolti ad Ashutosh Agarwal, docente di ingegneria biomedica e direttore di ingegneria e fisica applicata presso il Desai Sethi Urology Institute. Il suo laboratorio crea dispositivi chiamati organi umani su chip per scoprire nuovi trattamenti. Ispirati dal dispositivo di ossigenazione extracorporea a membrana (ECMO) utilizzato per le procedure di bypass cardiaco e polmonare, Agarwal e i suoi studenti hanno lavorato per ricreare un dispositivo più piccolo per l’occhio.
Il team di ingegneri ha progettato e prodotto una macchina ECMO oculare portatile che pompa sangue ossigenato miscelato con una soluzione specifica dentro e fuori dall’occhio dopo il prelievo da un donatore. Questo aiuta a mantenere funzionante correttamente la retina dell’occhio, un ostacolo importante da superare poiché la retina è responsabile dell’invio di segnali al cervello per la formazione delle immagini. Pertanto, mantenere la retina funzionale permetterà al ricevente di riacquistare la vista da un nuovo occhio donato.
Nell’ambito dell’ECMO oculare, il team sta anche utilizzando il Centro di Eccellenza per la Stampa 3D del College of Engineering per creare e perfezionare una cannula personalizzata. Questo piccolo tubo collega il vaso primario dell’occhio al dispositivo ECMO oculare, consentendo una circolazione costante.
Inoltre, gli ingegneri hanno creato anche un “eye-HOLDER”, in modo che un occhio di un donatore recuperato possa essere trasportato in sicurezza tra la sala operatoria e il laboratorio per l’esame.
La prima versione dell’eye-HOLDER
“Si tratta di un progetto ingegneristico altamente fattibile che può davvero far progredire la scienza medica”, ha affermato Agarwal. “Questo progetto dimostra anche il valore della vera collaborazione, dove gli ingegneri possono creare prodotti che possono sembrare difficili da immaginare, ma quando si lavora con un team di medici, il risultato è molto soddisfacente”.
E il team di Agarwal ha potuto vedere la propria innovazione in azione di recente.
Quando il team del trapianto di occhio intero ha ricevuto l’autorizzazione a recuperare il suo primo occhio da un donatore, ha potuto utilizzare il dispositivo ECMO oculare e la prima versione dell’eye-HOLDER. L’intera operazione è stata resa possibile grazie a un importante finanziamento dell’Agenzia per i Progetti di Ricerca Avanzata per la Salute (ARPA-H) del Dipartimento della Salute e dei Servizi Umani degli Stati Uniti, che l’intero team universitario ha ricevuto alla fine del 2024.
Durante l’intervento chirurgico per il recupero dell’occhio, Tse, insieme a neurochirurghi, scienziati, ingegneri e chirurghi plastici, ha collegato l’ECMO oculare all’occhio del donatore e lo ha posizionato sull’eye-HOLDER per mantenerlo in vita per diverse ore, durante le quali sono stati in grado di confermare la vitalità o funzionalità del tessuto. Vedere il loro successo ha dato energia al team di 17 docenti e altri membri dello staff che lavoravano al progetto.
“Ero completamente motivato quando me ne sono andato quella sera”, ha detto Pelaez. “Ho visto la possibilità di trapianti di occhio umano intero apparire molto più vicina”.
Preservare il nervo ottico
È stato un passo avanti in un complesso puzzle su cui gli esperti del Bascom Palmer Eye, della Miller School of Medicine e del College of Engineering stanno lavorando per rendere possibili i trapianti di occhio intero. Il progetto potrebbe richiedere fino a sei anni.
“Ogni fase del flusso di lavoro si è svolta esattamente come previsto, il che è insolito”, ha affermato Tse. “Ci sono stati alcuni intoppi lungo il percorso, ma tutti i passaggi principali sono andati come previsto. E senza l’ECMO oculare, non avrebbe funzionato”.
Mentre affinano le loro tecniche, i ricercatori devono ora determinare il modo migliore per preservare il nervo ottico, un’altra sfida significativa del progetto.
Quindi, il team deve determinare il modo ottimale per collegare il nervo ottico al ricevente. Questo è l’ostacolo più impegnativo per un trapianto oculare di successo, hanno affermato Tse e Pelaez.
Tuttavia, il dispositivo ECMO oculare e il supporto oculare sono elementi cruciali di questo progetto. Quando il team ha recentemente testato il primo occhio di un donatore utilizzando un colorante fluorescente, ha osservato il colorante circolare attraverso la retina, con l’ausilio della macchina ECMO oculare. Inoltre, sono stati eseguiti test ottici sull’occhio prelevato dal donatore. Il donatore ha confermato che la retina funzionava correttamente. Era il loro primo tentativo.
“È stato un momento importante per il team perché questo tipo di procedura non era mai stato eseguito in nessun centro degli Stati Uniti, e forse nemmeno nel mondo”, ha aggiunto Agarwal. “Non esiste un prodotto come l’ECMO oculare, ma questa è stata la prova che tutto funzionava”.
La cura della cecità
La richiesta di creare un dispositivo del genere è arrivata al laboratorio di Agarwal un anno fa, e lui ha subito capito che sarebbe stato un compito ideale. Agarwal, insieme ai suoi dottorandi Emma Drabbe e William Raeter; allo studente magistrale Alexander Carrieri; al tecnico di laboratorio Matthew Koble; e ad Atharva Dapse, stagista estiva internazionale dell’Indian Institute of Technology Gandhinagar, si sono subito messi al lavoro.
Stanno ora progettando un eye-HOLDER con un meccanismo cardanico per un trasporto più stabile degli organi, in modo che l’occhio del donatore sia meglio protetto durante lo spostamento da una sala operatoria all’altra, o anche se deve essere trasportato in un altro ospedale o in un’altra città, come avviene per altri trapianti di organi.
“Questo potrebbe aprire la strada a progressi medici in termini di trapianti di occhio intero per cercare di curare la cecità”, ha affermato Agarwal. “Penso che sia un vero privilegio per noi, come facoltà di ingegneria, collaborare con altri istituti universitari per promuovere l’innovazione. È anche un’esperienza formativa fantastica per gli studenti, che possono lavorare a stretto contatto con i chirurghi e ricevere feedback sulla loro progettazione.”
