L’attività di ricerca affronta aspetti fluidodinamici interdisciplinari del sistema cardiovascolare, implementando un approccio clinico-computazionale integrato per indagare la risposta emodinamica umana in diverse condizioni fisiologiche, patologiche ed estreme (ad esempio, microgravità).
- Analoghi a terra e contromisure per il decondizionamento cardiovascolare di voli spaziali umani di lunga durata (progetto co-finanziato ESA Discovery Programme)
Il volo spaziale umano di lungo termine induce una serie di alterazioni cardiovascolari, dalla riduzione del volume del sangue all’atrofia cardiaca, che inducono il decondizionamento cardiovascolare, che consiste nell’adattamento del sistema cardiovascolare a un ambiente meno impegnativo. Il principale motore di questi cambiamenti è lo spostamento dei fluidi dalla parte inferiore alla parte superiore del corpo, che si ritiene sia la causa alla base della Spaceflight Associated Neuro-ocular Syndrome (SANS), classificata oggi tra i maggiori rischi dell’esplorazione spaziale umana.
Per nessuna delle contromisure - attualmente adottate o studiate per mitigare il decondizionamento cardiovascolare in vista delle future missioni Luna/Marte - si conoscono risultati definitivi sul funzionamento ottimale. In particolare, sebbene la gravità artificiale sia una delle contromisure più promettenti, le conoscenze attuali si basano principalmente su analoghi a terra. Inoltre, essendo l’associazione tra emodinamica cerebrale e SANS un ambito di frontiera di cui non sono ancora compresi a pieno i meccanismi fondamentali, non sono state finora implementate strategie ad hoc per contrastare le alterazioni emodinamiche cerebrali.
Il progetto mira a sviluppare un approccio computazionale, basato sul nostro modello cardiovascolare multiscala validato, in grado di riprodurre accuratamente la risposta emodinamica all'esposizione alla microgravità a breve e lungo termine. Il modello sarà validato mediante misure cardiovascolari relative ad analoghi terrestri - quali la risposta a breve termine con reclinazione eretta del lettino a riposo, la risposta di breve-medio termine con reclinazione a testa in giù del lettino a riposo, e il volo parabolico - utilizzando i dati clinici delle campagne di volontari già effettuate, in corso o pianificate, e svolte in collaborazione con i nostri partner accademici (Divisione di Cardiologia, Ospedale “Città della Salute e della Scienza”, Torino, Italia; Divisione di Medicina Interna, Ospedale “Città della Salute e della Scienza”, Torino, Italia; Space, Attention and Action Lab, Dipartimento di Psicologia, Università di Torino, Italia).
Gli obiettivi del progetto sono: (i) indagare l'alterata emodinamica cerebrale in generale e successivamente il suo ruolo nell'insorgenza della SANS; e (ii) individuare la configurazione ottimale di contromisure, tra quelle attualmente implementabili, contro il decondizionamento cardiovascolare e le disfunzioni neurovestibolari indotte da alterazioni emodinamiche (ad esempio, SANS) per le prossime missioni con equipaggio. I risultati chiariranno i meccanismi fondamentali che alterano l'emodinamica cerebrale e contribuiranno alla progettazione delle contromisure cardiovascolari più efficaci per le missioni a lungo termine (compresi gli adattamenti a breve termine a ciascuna fase del volo spaziale) sulla Luna/Marte.
- Fluidodinamica cerebrale: studio dell’associazione tra fibrillazione atriale e demenza (Progetto finanziato PRIN 2022)
La fibrillazione atriale (FA), caratterizzata da un ritmo cardiaco irregolare, è l’aritmia cardiaca più comune: si contano quasi 60 milioni di casi prevalenti in tutto il mondo nel 2019, con proiezioni epidemiologiche che prevedono un ulteriore aumento nei prossimi decenni. La demenza è una degenerazione neurologica progressiva che porta al declino della memoria, del ragionamento, della
comunicazione e della capacità di svolgere attività quotidiane. Colpisce attualmente più di 50 milioni di persone in tutto il mondo e si stimano 150 milioni di casi nel 2050. Entrambe le patologie condividono diversi fattori di rischio comuni, molti dei quali sono modificabili, ad eccezione dell'età e dei fattori genetici. Attraverso un insieme di potenziali meccanismi emodinamici fondamentali – tra cui i microinfarti cerebrali silenti, le alterazioni del flusso ematico cerebrale, l’ipoperfusione e i microsanguinamenti - vi è una crescente evidenza che la FA sia indipendentemente associata ad un aumento del rischio di demenza e declino cognitivo, anche in assenza di ictus clinici. Tuttavia, non sono ancora stati del tutto stabiliti i meccanismi di causalità e l’impatto dei trattamenti della FA sullo sviluppo della demenza è lungi dall’essere chiaro. Tra i possibili contributori, l'ipotesi di un alterato flusso sanguigno cerebrale dovuto al battito irregolare della FA è la più intrigante e la meno indagata. La complessa interazione tra la propagazione delle onde di pressione e portata sanguigna in una rete di vasi viscoelastici, rastremati e di diverse dimensioni, e il flusso pulsatile irregolare rende gli effetti della FA sulla microcircolazione cerebrale ad oggi sconosciuti. Infatti, le tecniche cliniche attualmente adottate per valutare l'emodinamica cerebrale in vivo, tra cui il Doppler transcranico e la risonanza magnetica, non hanno il potere risolutivo necessario a fornire informazioni sulle regioni cerebrali profonde.
Il progetto nasce da una collaborazione interdisciplinare tra il Politecnico di Torino (Prof. S. Scarsoglio, DIMEAS, Polito BioMedLab) e l’Università degli Studi di Torino (Prof. M. Anselmino, Divisione di Cardiologia, Ospedale “Città della Salute e della Scienza”, Torino, Italia). L'obiettivo principale è comprendere e quantificare computazionalmente gli effetti meccanicistici indotti dalla FA sulla microcircolazione cerebrale alla base dell'associazione tra FA e declino cognitivo. Pertanto, la proposta di ricerca intende contribuire a colmare le lacune nella conoscenza fisiopatologica dell'emodinamica cerebrale durante la FA e fornire prove scientifiche per migliorare la gestione clinica della FA al fine di ridurne l'impatto sulla circolazione cerebrale. A questo proposito, un ritardo di pochi anni nell’insorgenza della demenza avrebbe enormi implicazioni socio-economiche, in termini di qualità della vita del paziente e di costi sanitari. L’attività di ricerca ha un’importante rilevanza medica a causa della crescente prevalenza della FA nella popolazione e, allo stesso tempo, la sua modellizzazione accurata è estremamente impegnativa sia dal punto di vista fluidodinamico che matematico.