La bioingegneria ha fatto passi da gigante e oggi due terzi del corpo umano possono essere sostituiti con dispositivi artificiali, valvole meccaniche e microchip
«Signori, lo possiamo ricostruire. Abbiamo adeguate conoscenze tecnologiche. Steve Austin sarà un essere nuovo, diverso dagli altri…Più forte, più veloce». Iniziava così ogni episodio de ‘L’uomo da sei milioni di dollari’, serie tv cult americana che creò il mito dell’uomo bionico e alimentò la fantasia di tutti con la possibilità di sostituire occhi, braccia e gambe con protesi artificiali per recuperare e, forse un giorno, addirittura potenziare le capacità umane. Erano gli anni ’70 e quella era solo fiction. Oltre quarant’anni dopo questi orizzonti non sono più così lontani e l’immaginazione è già diventata realtà. Due terzi del corpo umano oggi può essere ricostruito con mini-chip, valvole meccaniche, biomateriali, cavi, clip e viti microscopiche, tubi e fibre sintetiche. Per avere un pezzo di ricambio, tra organi, frammenti di tessuto o interi arti artificiali, nessuna attesa: molte, oggi, le persone bioniche. Lo confermano i numeri, basti pensare agli 11-12 mila casi l’anno che vengono ‘aggiustati’ al centro protesi di Vigorso di Budrio, eccellenza in Europa e fabbrica italiana di gambe e braccia artificiali. O agli oltre 25 mila pacemaker impiantati nel 2013 (dati AIAC), aiutino meccanico per un cuore che non tiene il ritmo. Siamo tutti un po’ bionici e, con ogni probabilità, lo saremo sempre di più.
LO SCHELETRO DI TITANIO
Spalla, anca, ginocchio, gomito, caviglia, polso, vertebre: non c’è articolazione che non possa essere rimpiazzata, in toto o in parte. Se fino a un decennio fa le protesi erano ancora modellate al tornio, oggi le ossa artificiali nascono dalla polvere: sotto la guida di laser, i materiali bioattivi (che mimano fedelmente la porosità e le caratteristiche dello scheletro) si assemblano e si fondono uno strato sull’altro, ricalcando l’anatomia del paziente con l’aiuto di tac, risonanze magnetiche e radiografie a fare da modello. Il livello raggiunto nell’ortopedia protesica è il più alto nella bionica umana e il risultato è quello di poter impiantare anche solo frammenti di osso per riparare una lesione lasciata da tumori aggressivi come i sarcomi. «I maggiori progressi sono stati osservati per la protesi d’anca, la più ‘antica’: negli anni ’70 solo il 10 per cento raggiungeva una durata di 20 anni prima di dover essere nuovamente sostituita», spiega Aldo Toni, direttore del Reparto di Chirurgia protesica e dei reimpianti d’anca e di ginocchio dell’Istituto Ortopedico Rizzoli di Bologna. «Oggi il 90 per cento di queste protesi resta integro e funzionale per quasi 30 anni, garantendo risultati soddisfacenti nel movimento anche a pazienti giovani, al di sotto dei 40 anni di età, con interventi meno invasivi rispetto al passato. Questo consente un rapido recupero post-operatorio, in genere i pazienti tornano a fare le scale in semi-autonomia in 2-3 giorni». Tanto piccole e resistenti che possono essere a misura di bambino. Come Zoe, 2 anni e mezzo e un raro tumore che le aveva logorato in parte il femore: nel 2014 è stata il primo caso pediatrico al mondo ad avere una minuscola protesi all’anca, con cui imparerà a camminare e diventerà grande. «Con l’aiuto di un modello virtuale creato al computer abbiamo riadattato le protesi disponibili, troppo lunghe per la bambina», prosegue lo specialista, parte del team che ha eseguito l’intervento eccezionale. «Abbiamo anche elaborato un sistema di allungamento della protesi mediante applicazione esterna di campi magnetici: questo consentirà alla protesi di adattarsi all’accrescimento della paziente senza doverla sottoporre a nuove operazioni chirurgiche».
VISTA E UDITO IN UN MICROCHIP
Jeroen Perk, olandese di 35 anni, scocca la freccia dal suo arco e centra il bersaglio. Eppure è cieco sin da quando ne aveva 11 a causa di una malattia rara, la retinite pigmentosa, che riduce progressivamente il campo visivo fino al buio totale. Merito del suo occhio bionico, uno dei pochi impiantati finora nel mondo, che gli consente di superare il suo deficit visivo, recuperando autonomia nella quotidianità. L’attuale realtà delle protesi sensoriali è fatta di microchip e tecnologia wireless: impiantati negli organi di senso, con intervento chirurgico mininvasivo, questi circuiti riattivano localmente la trasmissione nervosa perduta, consentendo al cervello di ricevere alcuni segnali, luminosi o acustici. Per farlo necessitano ancora di protesi computerizzate, esterne e ingombranti. L’occhio bionico di Jeroen consiste in un paio di occhiali a lenti scure dotate di una microtelecamera che filma la realtà: le immagini catturate sono poi rielaborate da un computer ‘indossabile’, poco più grande di uno smartphone e portato in una tracolla, e inviate a un microchip posizionato sulla retina. Approvata dagli enti regolatori americano ed europeo, la protesi retinica è già stata applicata nel mondo a pochi e selezionati pazienti affetti da cecità completa, non a chi vede ancora qualche luce o forma: gli ingegneri ora stanno lavorando per aumentare la sensibilità della protesi, per restituire una vista limpida anche a chi ha deficit visivi meno gravi, e i primi risultati potrebbero arrivare nel prossimo anno. Funziona in modo analogo anche l’impianto cocleare per i non udenti: è un microchip posizionato nell’orecchio interno collegato a una protesi esterna, sull’orecchio, come elaboratore del linguaggio. A differenza delle normali protesi acustiche, che semplicemente amplificano i suoni, l’orecchio bionico stimola elettricamente le fibre del nervo acustico. «E’ indicato per sordità neurosensoriali severe, causate da un danno alle cellule acustiche», spiega Lucia Oriella Piccioni, otorinolaringoiatra dell’IRCCS Ospedale San Raffaele di Milano. «Sono stati fatti passi da gigante nella processamento del suono che con i primi modelli era percepito come metallico. I microchip sono sempre più piccoli, oggi consentono un intervento di solo 3-6 ore, mininvasivo, con rapido recupero post-operatorio, minimizzando il rischio di complicanze come la meningite. L’impianto è definitivo, serve solo un po’ di manutenzione: le batterie sono ricaricabili giornalmente, i microfoni e la protesi esterna da sostituire nel tempo». Se la tecnologia acustica ha raggiunto livelli di sensibilità elevati, molti gruppi di ricerca stanno ora cercando una chiave biologica per potenziare ulteriormente le prestazioni dell’impianto cocleare, abbinandolo a terapia genica, staminali o trattamenti farmacologici. «Si stanno allargando le indicazioni terapeutiche», prosegue la specialista. «L’impianto cocleare oggi può trattare efficacemente i bambini prima dell’anno di età e si sta testando anche per le sordità monolaterali e l’acufene». Con l’orecchio bionico si può fare anche di più: collegandolo wireless a strumenti e applicazioni già in commercio, i pazienti possono ricevere le chiamate o ascoltare la playlist preferita direttamente nell’orecchio.
LA MANO ARTIFICIALE SARA’ SENSIBILE
Sono le protesi più vicine all’idea di cyborg rappresentata in film e libri: gambe, piedi, braccia, e mani artificiali sono oggi costruite con elettrodi posti a diretto contatto sulla muscolatura del moncone, dove l’arto è stato amputato, e un mini-circuito che riesce addirittura a cogliere l’intenzione della persona e trasformarla in movimento. Seppure sofisticate di fatto, però, restano dei corpi estranei. O meglio, così li vede il cervello. Per convincerlo ad accettarle di buon grado, in tutto il mondo si sta lavorando sulla sensibilità tattile, per costruire arti bionici che restituiscano al cervello anche sensazioni di contatto con l’oggetto. «Si stanno sperimentando diversi approcci, lavorando direttamente sui muscoli o sul sistema nervoso centrale o periferico», chiarisce Loredana Zollo, docente e ricercatrice in Bioingegneria presso l’Università Campus Bio-medico di Roma dove si lavora da anni per migliorare le prestazioni della mano artificiale. Qui si è svolto, nel 2013, il progetto Lifehand pubblicato poi su ‘Science’: con un intervento chirurgico il danese Dennis Aabo Sørensen, senza una mano per lo scoppio di un petardo, è stato ‘vestito’ di una mano bionica che gli ha permesso di distinguere forma e consistenza degli oggetti. La protesi è stata rimossa dopo soli 30 giorni perché non era possibile, così come oggi, garantirne la sicurezza per tempo prolungato, il rischio di reazioni fibrotiche o infiammatorie è ancora alto. «Passi avanti sono all’ordine del giorno ma c’è ancora molto lavoro da fare. I prototipi sono sperimentali e temporanei. L’obiettivo futuro è di riuscire a incorporare la protesi, mani, braccia o gambe, nell’organismo migliorando la comunicazione tra la protesi meccatronica e il cervello. Nel progetto HandBot stiamo lavorando sulla manipolazione, per migliorare la destrezza della mano meccatronica in compiti che richiedono l’uso della sensibilità tattile, come svitare un tappo o utilizzare lo smartphone». Quanto conti il cervello sul recupero del movimento lo sa bene Jan Scheuermann, donna 55enne statunitense e paraplegica da un decennio, che riesce a guidare un braccio meccanico solo con la mente grazie all’ingegno di un team dell’Università di Pittsbourgh. Lavorando sul sistema nervoso centrale, i ricercatori hanno ricreato una comunicazione cervello-arto bionico mediante l’impianto di due elettrodi nell’emisfero destro della donna, sede del movimento volontario. Una svolta importante, riportata recentemente sul ‘Journal of Neural Engineering’, per il controllo mentale di protesi o qualsiasi altro apparecchio meccanico. Magari un giorno anche la tv o le porte scorrevoli.
IL CUORE MECCANICO INTELLIGENTE
Sulla strada verso l’uomo-robot le sfide future si chiamano cervello e cuore. Se per il sistema nervoso finora si è riusciti a ricreare solo parti di circuiti o elettrodi per stimolare o dirottare l’attività cerebrale, esistono già dei cuori artificiali, pompe meccaniche che rimpiazzano valvole, ventricoli e porzioni dei grossi vasi e mantengono il flusso di sangue. I sistemi di assistenza ventricolare (VAD) possono sostenere totalmente o in parte l’attività cardiocircolatoria e attualmente sono destinati a casi di scompenso cardiaco gravi, il cuore artificiale totale (TAH) invece fa da ‘ponte’ verso il trapianto d’organo consentendo a pazienti ancora più gravi di sopravvivere all’attesa. «Le attuali pompe meccaniche possono funzionare fino a 2-5 anni. La tendenza terapeutica crescente, vista la scarsità delle donazioni, è di trasformare questi dispositivi temporanei in definitivi, per una ‘destination therapy’, soprattutto per quei pazienti che hanno superato l’età limite per il trapianto, i 65 anni», spiega Maria Giovanna Trivella, ricercatrice cardiologa del CNR di Pisa e coordinatrice del progetto europeo da 8 milioni di euro SensorART, concluso lo scorso anno, che puntava a risolvere alcuni limiti dei dispositivi in uso come la presenza di cavi che collegano il paziente e il suo impianto a consolle di comando esterne esponendoli a maggiore rischio di infezioni e condizionandone la quotidianità. «I dispositivi attuali sono come delle scatole nere: totalmente meccaniche, con funzioni impostate dal cardiochirurgo. Con il progetto europeo abbiamo invece realizzato un prototipo di dispositivo ‘intelligente’, privo di cavi, con sensori di pressione e flusso, in grado di modulare l’attività della pompa per adattarsi alle esigenze del paziente: quando dorme, ad esempio, può essere ridotta, quando fa attività fisica può essere aumentata». Le componenti meccaniche ed elettroniche del cuore totale lo fanno pesare troppo (circa 900 grammi, contro i 250-300 grammi di quello umano), la portata è ancora inferiore alle esigenze umane (fino a 9 litri di sangue pompato al minuto, contro i 20 litri/minuto di un cuore sano sotto sforzo), le valvole sono imperfette e possono causare tromboembolie, tanto che l’effettiva sostituzione dell’organo con il cuore artificiale totale è consentito solo per uso compassionevole, per chi ha poche ore di vita. Il cuore artificiale perfetto ancora non esiste: il tassello mancante sembra essere la sensorizzazione, affinché il cuore non sia una semplice pompa meccanica. «Il cuore è una stazione di arrivo e partenza di riflessi e rapporti con il cervello e con il sistema nervoso periferico», conclude l’esperta. «Sostituire l’organo con un cuore artificiale totale, lo registrano le casistiche mondiali, significa sottoporre l’organismo a un grosso shock e alterare l’equilibrio del sistema circolatorio, rappresentato dalla pressione in vene e arterie. Il cuore produce sostanze, riceve segnali dal flusso sanguigno, neuroumorali e umorali, non riproducibili o controllabili da un semplice sistema meccanico: molti di questi messaggi, della loro funzione armonica e complessa sono ancora a noi sconosciuti».
Cinzia Pozzi
(da OK Salute e benessere, n.2 Febbraio 2015)