Indagine numerica sullo streaming acustico indotto da ultrasuoni e sullo sforzo di taglio per la manipolazione dei coaguli sanguigni

Perché è importante rompere i coaguli senza farmaci

I coaguli di sangue nelle vene e nei vasi cerebrali possono ostruire la circolazione e causare ictus, infarto o embolie polmonari pericolose. I trattamenti principali odierni si basano su farmaci anticoagulanti o trombolitici, che possono salvare vite ma aumentano anche il rischio di sanguinamento grave e non sono adatti a tutti i pazienti. Questo studio esplora un’alternativa non farmacologica e non invasiva: usare ultrasuoni tarati con cura per agitare il fluido attorno a un coagulo in modo tale che il coagulo stesso cominci a frammentarsi.

Usare il suono per spingere contro un’ostruzione nascosta

I ricercatori si sono concentrati su un effetto sottile chiamato streaming acustico. Quando un fascio di ultrasuoni attraversa un fluido, non trasmette solo onde; può anche indurre un flusso lento ma costante, come un vento sommerso. Vicino a un’ostruzione come un coagulo, questo flusso può organizzarsi in vortici che trascinano la superficie del coagulo e generano una forza laterale nota come sforzo di taglio. Se tale sforzo supera la resistenza meccanica del coagulo, le fibre interne possono rompersi e la massa comincia a frammentarsi. Invece di aggiungere farmaci per indebolire il coagulo, il gruppo ha chiesto se lo streaming da solo, prodotto con impostazioni ultrasoniche realistiche, potesse raggiungere quei livelli di sforzo.

Costruire un vaso sanguigno digitale

Per rispondere, gli autori hanno realizzato un modello al computer dettagliato di un vaso sanguigno contenente un coagulo, usando il software di simulazione COMSOL Multiphysics. Hanno rappresentato il vaso come un tubo bidimensionale e il coagulo come una regione ellittica con comportamento viscoso e simile a un fluido denso. Una sorgente ultrasonica, modellata come un trasduttore lineare sopra il coagulo, emetteva onde sonore continue nel vaso. Accoppiando due insiemi di equazioni — una che descrive la propagazione delle onde sonore e l’altra che descrive il moto dei fluidi — hanno calcolato come il campo ultrasonico generasse lo streaming attorno al coagulo e quanto sforzo di taglio si manifestasse sulla sua superficie in diverse condizioni.

Trovare le impostazioni acustiche giuste

Il team ha variato sistematicamente tre fattori chiave: la posizione del coagulo rispetto al trasduttore, la frequenza degli ultrasuoni e l’intensità (pressione) delle onde sonore. Hanno osservato che lo streaming e lo sforzo di taglio cambiavano in modo complesso e non lineare al variare della posizione del coagulo lungo il vaso, una firma dei modelli di onde stazionarie formate dalle onde incidenti e riflesse. In certe posizioni si formavano vortici intensi su entrambi i lati del coagulo generando sforzi elevati; in altre posizioni il flusso risultava molto più debole. Anche la frequenza era importante. Frequenze molto basse penetravano bene ma comportavano rischi di effetti indesiderati come attività di bolle incontrollata, mentre frequenze molto alte venivano rapidamente assorbite e in gran parte convertite in calore. Intorno a 2 MHz, il modello prevedeva un punto ottimale in cui lo streaming restava forte senza assorbimento eccessivo, rendendolo particolarmente interessante per la terapia.

Quanto forte deve spingere il suono

Aumentando gradualmente la pressione acustica, i ricercatori hanno mostrato che lo sforzo di taglio sulla superficie del coagulo aumentava in modo costante per poi stabilizzarsi quando la resistenza viscosa del fluido bilanciava la forza di guida. In condizioni ottimizzate — circa 2 MHz e 2 MPa di pressione acustica con il coagulo in una posizione favorevole — lo sforzo di taglio calcolato ha raggiunto un picco di circa 10,9 pascal, più del doppio di una soglia stimata di 4,1 pascal necessaria per iniziare a rompere la rete interna del coagulo. Il modello ha anche esplorato uno scenario più realistico con una parete del vaso più spessa, come potrebbe accadere in patologia. In quel caso, più suono veniva perso prima di raggiungere il coagulo e lo sforzo iniziale scendeva a circa 2,7 pascal. Un aumento moderato della pressione avrebbe potuto portarlo a circa 3,0 pascal, ma comunque sotto la soglia di rottura, evidenziando come i tessuti tra la pelle e il vaso possano attenuare l’effetto.

Prossimi passi verso un trattamento dei coaguli più sicuro

Complessivamente, le simulazioni suggeriscono che lo streaming indotto dagli ultrasuoni può, in linea di principio, generare uno sforzo meccanico sufficiente a frammentare i coaguli senza usare farmaci trombolitici, a condizione che impostazioni acustiche e geometria siano favorevoli. Allo stesso tempo, il lavoro evidenzia importanti limiti: il modello attuale usa strutture semplificate per vaso e coagulo, assume l’assenza di flusso sanguigno di fondo e persino posiziona il trasduttore all’interno del vaso invece che sulla pelle. Gli autori sostengono che sono necessari modelli tridimensionali più realistici, pareti vascolari deformabili, sangue in movimento e test sperimentali. Tuttavia, i risultati delineano gamme promettenti di frequenza, pressione e posizionamento, e indicano lo streaming acustico come un potenziale elemento costitutivo per future terapie a ultrasuoni più sicure contro i coaguli.

Citazione: Hisham, A., Hassan, M.A. & Wahba, A.A. Numerical investigation of ultrasound-induced acoustic streaming and shear stress for blood clot manipulation. Sci Rep 16, 12891 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44521-5

Parole chiave: terapia dei coaguli con ultrasuoni, streaming acustico, trombo ematico, sforzo di taglio, modellazione computazionale