Quando una persona sviluppa un calcolo renale o biliare, accumuli duri di minerali e altri composti creati dal corpo, può provare molto dolore e disagio. Nei casi più avanzati, queste pietre possono avere gravi effetti sulla salute.

Se il corpo non è in grado di espellere queste pietre da solo, spesso è necessario un intervento medico. Per molti decenni, ciò significava che il paziente avrebbe avuto bisogno di un intervento chirurgico per rimuovere le pietre, ma negli anni Ottanta emerse una nuova forma di trattamento:la litotripsia.

La litotripsia è la pratica di rompere i calcoli biliari o renali in piccoli pezzi all'interno del corpo utilizzando onde d'urto prodotte da una macchina chiamata litotritore. Queste onde d'urto ad alta intensità vengono trasmesse nell'addome e focalizzate sulla pietra, che viene frantumato dall'energia delle onde in pezzi più piccoli che possono essere espulsi dal corpo.

Sebbene la litotripsia sia stata una gradita alternativa alla chirurgia, ha i suoi inconvenienti. Per uno, i litotritori sono grandi e costosi. Più preoccupante per il paziente, anche se, è che la procedura è così dolorosa da richiedere lo stesso livello di sedazione di un intervento chirurgico.

Una nuova forma di litotripsia che elimina questi problemi è stata sviluppata con l'aiuto di Tim Colonius, Frank e Ora Lee Marble Professor di Caltech di ingegneria meccanica.

Di recente ci siamo incontrati con Colonius per discutere di questa nuova tecnologia per la litotripsia, come il suo background nello studio delle interazioni tra fluidi e suoni ha informato la sua comprensione della tecnologia, e i benefici che potrebbe offrire ai pazienti.

Come descriveresti la tua principale area di ricerca?

Studio fluidodinamica computazionale. I fluidi si riferiscono a materiali che scorrono, principalmente liquidi o gas; la fluidodinamica si occupa di prevedere i movimenti dei fluidi e le forze che creano. Potrebbe guardare il volo di un calabrone, turbine eoliche, o sangue che scorre nelle vene.

La fluidodinamica computazionale si riferisce al tentativo di risolvere le equazioni per il movimento dei fluidi attraverso la simulazione al computer.

Questo progetto di litotripsia ha una lunga storia. Ci racconti un po' come è iniziata?

Brad Sturtevant [MS '56, dottorato di ricerca '60] è stata la figura centrale del Caltech che ha lavorato a questo progetto. Brad era un professore di aeronautica, un ricercatore straordinario, e una figura amata nel campus che è scomparsa nei primi anni 2000. Ha fatto molte ricerche sulle onde d'urto [ad alta energia, onde ad alta velocità che viaggiano attraverso un materiale], ei suoi interessi spaziavano di tutto, dai vulcani ad altri fenomeni naturali che coinvolgono le onde d'urto.

Si è messo in contatto con uno scienziato di nome Andy Evan dell'Università dell'Indiana. Andy ha riunito un enorme team di ricercatori per esaminare la litotripsia, e ha davvero messo l'argomento sulla mappa accademica. Brad è stato coinvolto perché il gruppo stava usando le onde d'urto per rompere i calcoli renali, ma la gente non capiva come funzionavano le macchine, come si sono generate le onde d'urto, propagato attraverso il corpo, e ha interagito con i calcoli renali.

Come sei stato coinvolto?

Come molte cose al Caltech, era una conversazione in corridoio. Ero un giovane professore all'epoca, e stavo cercando di costruire strumenti di calcolo per la cavitazione, la formazione di bolle in un liquido.

Molte persone del nostro team pensavano che la cavitazione fosse un meccanismo importante per il modo in cui i calcoli renali vengono polverizzati dalle onde d'urto. Ironia della sorte, Brad era scettico su questo, ma riconobbe che l'ipotesi doveva essere investigata, così mi ha chiesto se volevo essere coinvolto.

In che modo il tuo background informa il tuo lavoro su questo?

Un paio di aree in cui avevo lavorato in precedenza erano l'aeroacustica, che è lo studio di come i flussi producono il suono, e flussi frizzanti. Quando le bolle oscillano, sono molto efficienti nel produrre il suono. Così, quando vai in spiaggia e senti un'onda che si infrange e senti tutto quel tintinnio, sono le bolle che producono il suono.

Questo progetto è stato interessante perché ha unito queste due aree, le bolle e l'acustica. Non è stato difficile per Brad convincermi a lavorare su questo:è tecnicamente interessante e ha un enorme potenziale a beneficio delle persone.

In che modo questo lavoro è diverso dalla litotripsia tradizionale?

La cosa nuova qui, che chiamiamo litotrissia a onde di scoppio, è l'uso di ultrasuoni focalizzati piuttosto che onde d'urto. Possiamo pensare alla litotripsia tradizionale come a una serie di esplosioni, e ogni esplosione farà esplodere un calcolo renale un colpo alla volta.

Penso che quando è stato sviluppato quel tipo di litotripsia, ci sono state molte occasioni perse per sintonizzare la frequenza per risuonare con le pietre. Quello che stiamo facendo invece sono ultrasuoni focalizzati ad alta intensità. Hai una serie di elementi a ultrasuoni che possono sparare indipendentemente, quindi hai molta flessibilità per progettare le onde. Quando crei onde d'urto in modo tradizionale, ci sono molte meno opportunità di adattare l'onda d'urto a condizioni diverse, a diversi tipi di pietre di diverse forme e materiali diversi.

Quali vantaggi ha la litotrissia a onde burst rispetto alla litotrissia tradizionale?

C'è un'intera suite di loro, che penso lo renda davvero emozionante. Poiché l'ampiezza delle onde è inferiore, c'è meno pericolo di danni collaterali ai tessuti vicini, quindi la procedura è molto meno dolorosa. Così, è previsto che non avresti bisogno di anestesia.

C'è anche il fatto che questo dispositivo è molto più economico da realizzare rispetto a un litotritore a onde d'urto completo. Un urologo potrebbe permettersi di comprarlo per il suo ufficio, che un litotritore tradizionale può costare molte centinaia di migliaia di dollari; questi strumenti si trovano spesso negli ospedali o nelle cliniche specializzate. Questo potrebbe avere una barriera all'ingresso molto più bassa.

Cosa c'è dopo per il lavoro?

Siamo solo ora al punto in cui abbiamo un ottimo modello di simulazione che possiamo usare per ottimizzare la tecnologia. Stiamo trovando forme d'onda ottimali che creano risonanze che massimizzano la quantità di energia di deformazione che possiamo indurre nella pietra. È simile a come un cantante d'opera potrebbe frantumare un bicchiere di vino cantando al tono giusto. Stiamo anche iniziando a inserire feedback in questi dispositivi in ​​modo che possano essere più autonomi e adattarsi senza che il medico debba fare affidamento sulla propria intuizione.

C'è una piccola azienda chiamata SonoMotion che è uno spin-off del team dell'Università di Washington che sta costruendo questi dispositivi e sta conducendo studi clinici con dozzine di pazienti. I risultati sembrano promettenti finora.

Com'è lavorare su qualcosa che può migliorare così direttamente la vita e la salute delle persone?

È umiliante. Non riesco a collegare la scienza che faccio direttamente ai pazienti, ma lavoro con persone che lo fanno. Sono semplicemente stupito di come i medici e gli scienziati nel mondo della salute prendano la scienza di base e la applichino per aiutare le persone.