Первое в мире биороботизированное сердце помогает ученым изучать сердечную функцию

К Паял Дхар

От искусственных сердечных клапанов до клеточных трансплантатов разрабатываются новые методы лечения сердечно-сосудистых заболеваний. развивается каждый день. Чтобы смоделировать их работу, исследователям нужен надежный способ наблюдать за сердцем в действии. Исследования на животных, компьютерные модели и различные лабораторные симуляторы, созданные с использованием мертвой ткани сердца, могут дать разные точки зрения, но эти подходы могут быть дорогими, недостаточно сложными или ограниченными в сроке годности.

Чтобы повозиться с сердцем, ученые разработали биение, биоробот копия, которая может имитировать работу как здорового органа, так и больной. Этот симулятор сочетает в себе свиное сердце тканей и мягких роботизированных мышц и был описан в двух недавних исследованиях.

«Представьте себе бьющееся сердце на лабораторном столе», — говорит Эллен Рош, биомедицинский инженер Массачусетского технологического института и старший автор исследования. Симулятор, который перекачивает прозрачную жидкость вместо крови, подключен к приборам, измеряющим кровоток, артериальное давление и многое другое. Его также можно настраивать: пользователь может изменять частоту сердечных сокращений, артериальное давление и другие параметры, а затем через внутреннюю камеру наблюдать, как эти изменения влияют на работу сердца, в режиме реального времени.

Симулятор точно воспроизводит то, как кровь течет через сердце, чего не могут сделать существующие настольные симуляторы, использующие мертвую ткань сердца. Использование вместо этого живой ткани сердца свиньи, анимированной с помощью робототехники, дало команде Роша гораздо больше контроля. (Свиньи по размеру и устройству схожи с человеческими сердцами и часто используются в исследованиях.) Новый гибридный симулятор также может прослужить дольше, чем живой орган, который используется сам по себе: тогда как сердце свиньи, подключенное к насосу в лаборатории продолжали работать всего несколько часов, команде Роша удалось поддерживать работоспособность синтетических мышц симулятора в течение нескольких месяцев. Исследователи еще не измерили точные возможности симулятора. «Нам необходимо провести надежные испытания на усталость в течение срока хранения, чтобы точно определить, сколько циклов могут выдержать эти вещи», — говорит Рош.

Когда дело доходит до моделирования кровотока через сердце, левая и правая стороны органа представляют собой свою собственную задачу. «Им нужны очень индивидуальные модели», — говорит Рош. Исследователи сначала занялись левой стороной, сосредоточив внимание на митральном клапане, который контролирует поток между левым предсердием и желудочком (верхней и нижней камерами сердца). Они воссоздали здоровое движение этой системы, а затем смоделировали состояние, при котором клапан становится негерметичным, что называется митральной регургитацией. Чтобы продемонстрировать, что модель можно использовать в качестве точного моделирования, команда попросила кардиохирургов исправить клапан с помощью трех различных хирургических вмешательств. Эти результаты были описаны в одном из двух недавних исследований, которое было опубликовано в среду в Устройство.

«Это очень сложное перекачивающее движение, которое вам нужно создать, чтобы кровь перекачивалась к вашему телу под действительно высоким давлением и потоком», — говорит Клара Парк, которая была соавтором обоих исследований в качестве доктора философии. студент лаборатории Рош в Массачусетском технологическом институте

Затем команда смоделировала механику правой стороны сердца. «Правая часть сердца — это более тонкая и слабая мышца», — говорит Парк, — и она «работает не так сильно». Симулятор правых отделов сердца может воспроизводить как здоровое, так и аномальное функционирование. Эти результаты были описаны в другом недавнем исследовании команды, которое было опубликовано в прошлом месяце в Природные сердечно-сосудистые исследования.

Сара Вигмостад, биомедицинский инженер из Университета Айовы, который не принимал участия в написании статей, считает, что эти симуляторы будут полезны для хирургического планирования, обучения или образовательных целей. «Я также могу себе представить их ценность при тестировании новых вмешательств… предназначенных для лечения митральной регургитации или других заболеваний клапанов», — говорит она. Способность «настраивать» сердце на воспроизведение различных заболеваний также может оказаться очень полезной в исследованиях, добавляет она.

Биороботический подход основан на использовании живых тканей животных, но компания «Рош» мечтает о полностью синтетическом сердце, напечатанном на 3D-принтере. Такой орган мог бы быть гораздо более настраиваемым. Его можно даже использовать для создания моделей, специфичных для пациентов, которые позволят людям, проходящим лечение, наблюдать в действии копию своего собственного бьющегося сердца, и это будет определять решения их врачей. «Мы переходим к полностью синтетическим моделям [and] отпечатки из нескольких материалов», — говорит она, — для чего потребуется воспроизвести саму сердечную ткань в лаборатории. «Есть много постоянной работы».