Nota applicativa | ElastoSens™ Bio
Misurazione delle proprietà meccaniche del tessuto cardiaco con ElastoSens™ Bio
Introduzione
La capacità del cuore di pompare il sangue dipende non solo dalla sua attività elettrica, ma anche dalle proprietà meccaniche del suo tessuto. Queste proprietà — che vanno dall’elasticità alla rigidità e alla viscoelasticità — determinano il modo in cui il miocardio si allunga, si contrae e si rilassa durante il ciclo cardiaco. Cambiamenti anche minimi in questi meccanismi possono segnalare una malattia in fase iniziale, mentre alterazioni più marcate compromettono la capacità del cuore di riempirsi e espellere il sangue. Studiandoli, scienziati e medici possono capire meglio come funziona un cuore sano, individuare i primi segni di malattia e mettere a punto terapie che ripristinino o preservino le sue prestazioni.
Principali proprietà meccaniche del cuore
Elasticità
L’elasticità riflette la capacità del miocardio di tornare alla sua forma originale dopo una deformazione. È fondamentale per il riempimento diastolico, poiché permette ai ventricoli di accogliere il sangue in entrata e poi di tornare alla forma originale in modo efficiente in vista della contrazione successiva.
Rigidità
La rigidità rappresenta la resistenza alla deformazione, spesso quantificata tramite parametri come il modulo elastico o le relazioni pressione-volume. Varia dinamicamente nel corso del ciclo cardiaco, con una rigidità bassa durante la diastole e una maggiore durante la sistole.
Conformità
La compliance, l’opposto della rigidità, descrive la capacità del cuore di espandersi quando si riempie. Una compliance ridotta limita la capacità di riempimento ed è un segno distintivo della disfunzione diastolica.
Viscoelasticità
Il cuore presenta un comportamento sia elastico che viscoso, il che significa che la sua risposta dipende non solo dal grado di stiramento, ma anche dalla velocità di deformazione. Questa viscoelasticità influenza il modo in cui il miocardio dissipa o immagazzina energia durante la contrazione e il rilassamento.
Anisotropia
A causa della sua complessa struttura fibrosa, il miocardio è anisotropico: il suo comportamento meccanico varia a seconda della direzione della forza applicata. Questa anisotropia contribuisce a un efficace ispessimento della parete e a una contrazione coordinata.
Relazione tra le malattie e le proprietà meccaniche del tessuto cardiaco
Insufficienza cardiaca con frazione di eiezione preservata (HFpEF)
L’HFpEF è fortemente associata a un aumento della rigidità miocardica e a una riduzione della compliance. Questi cambiamenti compromettono il riempimento diastolico, limitando la capacità del cuore di soddisfare le esigenze circolatorie nonostante una frazione di eiezione normale.
Fibrosi
La fibrosi cardiaca, caratterizzata da un eccessivo accumulo di collagene, rende più rigida la matrice extracellulare e altera l’anisotropia. Questo rimodellamento compromette la normale meccanica cardiaca, contribuendo sia alla disfunzione sistolica che a quella diastolica.
Danno da ischemia/riperfusione
Durante l’ischemia e la successiva riperfusione, la rigidità miocardica subisce variazioni dinamiche. Gli studi di elastografia a onde di taglio evidenziano un’alterazione della rigidità sistolica e diastolica, che riflette una compromissione della contrattilità e del rilassamento nel tessuto danneggiato.
Cardiomiopatia dilatativa
Nella cardiomiopatia dilatativa, i cambiamenti nelle proprietà meccaniche passive e attive — tra cui una maggiore compliance e un’alterata viscoelasticità — portano alla dilatazione delle camere cardiache, a una ridotta contrattilità e a un’insufficienza cardiaca progressiva.
Come si valuta la meccanica del tessuto cardiaco
Tecniche in vivo (cliniche)
Dal punto di vista clinico, la rigidità cardiaca può essere valutata sia con tecniche invasive che non invasive. L’analisi del ciclo pressione-volume tramite cateterismo rimane il gold standard per la valutazione della rigidità delle camere cardiache. Gli approcci non invasivi sono sempre più diffusi, tra cui l’elastografia a onde di taglio (SWE), che rileva la propagazione delle onde nel miocardio, e strumenti di imaging avanzati come l’elastografia a risonanza magnetica (MRE) e l’imaging a impulsi di forza di radiazione acustica (ARFI). Questi metodi offrono informazioni preziose sulla funzione diastolica e sistolica e sono fondamentali per individuare precocemente i cambiamenti legati alla malattia.
Tecniche ex vivo (Ricerca)
Nella ricerca, i metodi ex vivo permettono di caratterizzare in modo dettagliato la meccanica del tessuto cardiaco. Tra gli strumenti più comuni ci sono le prove di trazione, la reometria di taglio e l’indentazione (da scala nanometrica a micrometrica), applicate sia a cellule isolate che a campioni di cuore intero. Queste tecniche rivelano l’elasticità, la viscosità e il comportamento viscoelastico in condizioni controllate, aiutando i ricercatori a collegare i cambiamenti molecolari alla meccanica miocardica complessiva.
Caso di studio: caratterizzazione meccanica del tessuto cardiaco con ElastoSens™ Bio
Nel campo della biomeccanica cardiaca, l’ ElastoSens™ Bio offre un approccio avanzato ai test ex vivo. Questo strumento permette di misurare in modo continuo e non distruttivo le proprietà viscoelastiche, garantendo che l’integrità dei tessuti venga mantenuta per tutta la durata degli esperimenti. La sua tecnologia consente una caratterizzazione accurata dei campioni cardiaci molli e supporta test ripetuti per lunghi periodi in diverse condizioni ambientali, ampliando le informazioni disponibili oltre i tradizionali test meccanici.
Per dimostrare le potenzialità di ElastoSens™ Bio, abbiamo condotto uno studio ex vivo su campioni di tessuto cardiaco. La sezione seguente descrive i materiali e i metodi utilizzati in questo esperimento, seguiti dai risultati, che illustrano un esempio pratico dell’applicazione dello strumento.
Materiali e metodi
I cuori di maiale e pecora sono stati prelevati da un allevamento locale. Sono stati asportati campioni di tessuto di forma approssimativamente cilindrica (23 mm di diametro interno, altezza variabile) utilizzando un punzone simile a quello usato per le biopsie. Ogni campione è stato posizionato con cura nel supporto macro dello strumento ElastoSens™ Bio. Le misurazioni sono state effettuate a temperatura ambiente, sottoponendo ogni campione al test per un minuto.
Lo strumento forniva i parametri viscoelastici in tempo reale, tra cui il modulo di conservazione al taglio (G′) e il rapporto di smorzamento (Tan𝛿). Per ogni condizione, i risultati sono stati espressi come valori medi ricavati da cinque campioni indipendenti, prelevati dalla stessa sede anatomica in cinque cuori diversi (n=5).
Figura 1. Campione di tessuto cardiaco nel supporto ElastoSens™ Bio macro per la caratterizzazione meccanica non distruttiva.
Risultati e discussione
Utilizzando il sistema di analisi non distruttiva ElastoSens™ Bio, la Figura 2 mostra che il tessuto cardiaco di maiale presentava un modulo di stoccaggio di taglio più elevato (G′ = 7,8 ± 1,3 kPa) rispetto a quello di pecora (4,1 ± 1,3 kPa), indicando una maggiore rigidità e un maggiore accumulo di energia elastica. Al contrario, il tessuto ovino ha mostrato un rapporto di smorzamento più elevato (Tanδ = 0,42 ± 0,05 contro 0,36 ± 0,05), il che riflette una maggiore dissipazione viscosa di energia. Queste proprietà viscoelastiche specifiche per specie evidenziano che il miocardio suino è meccanicamente più rigido, mentre quello ovino è più dissipativo.
I nostri valori relativi al cuore suino sono in linea con quelli riportati da Kolipaka et al. (2010) e da Nenadic et al. (2009), che hanno misurato il miocardio suino utilizzando l’elastografia a risonanza magnetica e la vibrometria a onde di taglio, riportando moduli di taglio compresi tra 7,69 e 12,7 kPa. Per il miocardio ovino, le prove di trazione biassiale hanno riportato moduli di accumulo di taglio equivalenti compresi tra 4,4 e 10,2 kPa, con una media di circa 6,5 kPa (Pandelani et al., 2025), riflettendo le variazioni regionali e direzionali nei ventricoli. Nel complesso, ElastoSens™ Bio consente di effettuare misurazioni sui tessuti ex vivo con una manipolazione minima, in condizioni controllate di idratazione e carico. Questa configurazione controllata riduce le fonti esterne di variabilità e rileva la risposta viscoelastica intrinseca del tessuto miocardico.
Figura 2: Proprietà viscoelastiche del tessuto cardiaco di pecora e maiale: modulo di immagazzinamento al taglio (G′) (a sinistra) e rapporto di smorzamento (Tan𝛿) (a destra) ottenuti con il sistema di analisi non distruttiva ElastoSens™ Bio (media ± deviazione standard, n=5).
Conclusioni e prospettive
Le proprietà meccaniche del tessuto cardiaco, tra cui elasticità, rigidità, viscoelasticità e anisotropia, sono fondamentali per comprendere sia la funzione fisiologica che il rimodellamento patologico. Questo studio conferma che i test viscoelastici non distruttivi con ElastoSens™ Bio permettono di misurare in modo affidabile le proprietà meccaniche del tessuto cardiaco, rilevando parametri chiave come il modulo di conservazione al taglio (G′) e il rapporto di smorzamento (Tan𝛿). Questo approccio garantisce dati precisi e riproducibili, fornendo una solida base per studi comparativi tra diverse specie e condizioni.
Oltre a questi risultati, ElastoSens™ Bio offre vantaggi unici per la ricerca nel campo cardiovascolare e dei biomateriali:
- La semplicità della preparazione e dell’allestimento riduce al minimo la manipolazione e preserva l’idratazione e l’architettura del miocardio.
- L’elevata sensibilità e ripetibilità garantiscono misurazioni coerenti nelle diverse regioni cardiache (atri, ventricoli, setto), cogliendo la variabilità intra-organica.
- Il benchmarking interspecifico permette di condurre studi traslazionali confrontando direttamente la meccanica cardiaca nei modelli animali e negli esseri umani.
- La versatilità della piattaforma permette di testare diversi tessuti cardiaci e biomateriali in condizioni identiche, il che è utile per lo sviluppo di patch cardiaci, scaffold o sostituti valvolari.
- Le applicazioni nel campo dei tessuti ingegnerizzati traggono vantaggio da misurazioni non distruttive e ripetute che consentono di monitorare l’evoluzione dinamica dei costrutti miocardici bioingegnerizzati.
- L’incubazione controllata e i test ripetuti permettono di monitorare i cambiamenti delle proprietà viscoelastiche nel tempo, sia che siano dovuti a ischemia, interventi farmacologici o al progredire della malattia.
Nel loro insieme, queste caratteristiche rendono ElastoSens™ Bio uno strumento prezioso per far progredire la ricerca sul tessuto cardiaco, la fisiologia comparata e lo sviluppo di biomateriali ingegnerizzati.
Riferimenti
Villalobos Lizardi, J. C., Baranger, J., Nguyen, M. B., Asnacios, A., Malik, A., Lumens, J., … & Villemain, O. (2022). A guide for assessment of myocardial stiffness in health and disease. Nature Cardiovascular Research, 1(1), 8-22.
Emig, R., Zgierski-Johnston, C. M., Timmermann, V., Taberner, A. J., Nash, M. P., Kohl, P., & Peyronnet, R. (2021). Passive myocardial mechanical properties: meaning, measurement, models. Biophysical reviews, 13(5), 587-610.
Caenen, A., Keijzer, L., Bézy, S., Duchenne, J., Orlowska, M., Van Der Steen, A. F., … & Vos, H. J. (2023). Continuous shear wave measurements for dynamic cardiac stiffness evaluation in pigs. Scientific Reports, 13(1), 17660.
Kolipaka, A., Araoz, P. A., McGee, K. P., Manduca, A., & Ehman, R. L. (2010). Magnetic resonance elastography as a method for the assessment of effective myocardial stiffness throughout the cardiac cycle. Magnetic Resonance in Medicine, 64(3), 862–870.
Nenadic, I., Urban, M. W., & Greenleaf, J. F. (2009). Ex vivo measurements of myocardial viscoelasticity using shearwave dispersion ultrasound vibrometry (SDUV). Proceedings of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, 2895–2898.
Pandelani, T., Mashosho, E., Walker, C., Scheffer, C., & Franz, T. (2025). Passive biaxial mechanical and microstructural characterization of adult ovine heart ventricles. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 13, 1500585.
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