Инженеры Массачусетского технологического института разработали роботизированную копию правого желудочка сердца, которая имитирует биение и перекачку крови живого сердца.
Робо-желудочек сочетает в себе настоящую сердечную ткань с синтетическими воздушными искусственными мышцами, которые позволяют ученым контролировать сокращения желудочка, наблюдая, как функционируют его естественные клапаны и другие сложные структуры.
Искусственный желудочек можно настроить так, чтобы имитировать здоровое и болезненное состояния. Команда манипулировала моделью, чтобы имитировать состояния дисфункции правого желудочка, включая легочную гипертензию и инфаркт миокарда. Они также использовали модель для тестирования сердечных устройств. Например, команда имплантировала механический клапан, чтобы восстановить естественный неисправный клапан, а затем наблюдала, как в ответ изменилась работа желудочка.
Они говорят, что новый роботизированный правый желудочек, или RRV, может быть использован в качестве реалистичной платформы для изучения нарушений правого желудочка, а также тестирования устройств и методов лечения, направленных на лечение этих расстройств.
«Правый желудочек особенно подвержен дисфункции в отделениях интенсивной терапии, особенно у пациентов, находящихся на искусственной вентиляции легких», — говорит Маниша Сингх, постдок в Институте медицинской инженерии и науки Массачусетского технологического института (IMES). «Симулятор RRV может быть использован в будущем для изучения влияния искусственной вентиляции легких на правый желудочек и разработки стратегий по предотвращению правожелудочковой недостаточности у этих уязвимых пациентов».
Сингх и ее коллеги сообщают подробности нового дизайна в документе с открытым доступом, опубликованном сегодня в журнале. Природные сердечно-сосудистые исследования. Среди ее соавторов — доцент Эллен Рош, один из основных членов IMES и заместитель руководителя отдела исследований факультета машиностроения Массачусетского технологического института; наряду с Жаном Боннэмэном, Чагларом Озтюрком, Кларой Парк, Диего Кеведо-Морено, Миган Роулетт и Илин Фань из Массачусетского технологического института; Брайан Эйерс из Массачусетской больницы общего профиля; Кристофер Нгуен из Кливлендской клиники; и Моссаб Саид из Бостонской детской больницы.
Балет битов
Правый желудочек — одна из четырех камер сердца, наряду с левым желудочком, левым и правым предсердиями. Из четырех камер левый желудочек является самым тяжелым, так как его толстая конусообразная мускулатура создана для перекачивания крови по всему телу. Правый желудочек, по словам Роша, по сравнению с ним — «балерина», поскольку он воспринимает более легкую, но не менее важную нагрузку.
«Правый желудочек перекачивает кровь, лишенную кислорода, в легкие, поэтому ему не приходится перекачивать так сильно», — отмечает Рош. «Это более тонкая мышца с более сложной архитектурой и движением».
Эта анатомическая сложность затрудняет точное наблюдение и оценку функции правого желудочка у пациентов с заболеваниями сердца.
«Обычные инструменты часто не могут уловить сложную механику и динамику правого желудочка, что приводит к потенциальным ошибочным диагнозам и неадекватным стратегиям лечения», — говорит Сингх.
Чтобы улучшить понимание менее известной камеры и ускорить разработку сердечных устройств для лечения ее дисфункции, команда разработала реалистичную функциональную модель правого желудочка, которая одновременно отражает его анатомические тонкости и воспроизводит его насосную функцию.
Модель включает настоящую сердечную ткань, которую команда решила использовать, поскольку она сохраняет естественные структуры, которые слишком сложны для синтетического воспроизведения.
«Существуют тонкие, крошечные хорды и створки клапанов с разными свойствами материала, которые движутся согласованно с мышцами желудочка. Попытка отлить или напечатать эти очень тонкие структуры довольно сложна», — объясняет Рош.
Срок годности сердца
В новом исследовании команда сообщает об эксплантации правого желудочка свиньи, который они обработали, чтобы тщательно сохранить его внутренние структуры. Затем они наложили на него силиконовую обертку, которая действовала как мягкий синтетический миокард или мышечная оболочка. В эту подкладку команда встроила несколько длинных баллоноподобных трубок, которые окружали реальную ткань сердца, в положениях, которые с помощью компьютерного моделирования были определены командой как оптимальные для воспроизведения сокращений желудочка. Исследователи подключили каждую трубку к системе управления, которую затем настроили на надувание и сдувание каждой трубки со скоростью, имитирующей реальный ритм и движение сердца.
Чтобы проверить его насосную способность, команда наполнила модель жидкостью, по вязкости напоминающей кровь. Эта конкретная жидкость также была прозрачной, что позволяло инженерам наблюдать с помощью внутренней камеры, как внутренние клапаны и структуры реагировали, когда желудочек прокачивал жидкость.
Они обнаружили, что насосная мощность искусственного желудочка и функции его внутренних структур аналогичны тем, что они ранее наблюдали у живых, здоровых животных, продемонстрировав, что модель может реалистично имитировать действие и анатомию правого желудочка. Исследователи также смогли настроить частоту и мощность насосных трубок, чтобы имитировать различные сердечные заболевания, такие как нерегулярное сердцебиение, мышечное ослабление и гипертония.
«В каком-то смысле мы реанимируем сердце, и таким образом мы можем изучить и потенциально лечить его дисфункцию», — говорит Рош.
Чтобы показать, что искусственный желудочек можно использовать для тестирования сердечных устройств, команда хирургическим путем имплантировала кольцеобразные медицинские устройства различных размеров для восстановления трехстворчатого клапана камеры — листовидного одностороннего клапана, который пропускает кровь в правый желудочек. Когда этот клапан негерметичен или физически поврежден, это может вызвать правожелудочковую сердечную недостаточность или фибрилляцию предсердий, а также привести к таким симптомам, как снижение способности к физической нагрузке, отеки ног и живота, а также увеличение печени.
Исследователи хирургическим путем манипулировали клапаном робо-желудочка, чтобы имитировать это состояние, а затем либо заменили его, имплантировав механический клапан, либо восстановили с помощью кольцеобразных устройств разных размеров. Они наблюдали, какое устройство улучшает поток жидкости в желудочке, пока он продолжает перекачивать кровь.
«Благодаря своей способности точно воспроизводить дисфункцию трикуспидального клапана RRV служит идеальной тренировочной площадкой для хирургов и интервенционных кардиологов», — говорит Сингх. «Они могут отработать новые хирургические методы восстановления или замены трехстворчатого клапана на нашей модели, прежде чем применять их на реальных пациентах».
В настоящее время RRV может моделировать реалистичную работу в течение нескольких месяцев. Команда работает над тем, чтобы расширить эту производительность и позволить модели работать непрерывно в течение более длительных периодов времени. Они также работают с разработчиками имплантируемых устройств, чтобы протестировать свои прототипы на искусственном желудочке и, возможно, ускорить их доставку к пациентам. Заглядывая в далекое будущее, компания Roche планирует соединить RRV с аналогичной искусственной функциональной моделью левого желудочка, которую группа в настоящее время совершенствует.
«Мы предполагаем объединить его с левым желудочком, чтобы создать полностью настраиваемое искусственное сердце, которое потенциально могло бы функционировать у людей», — говорит Рош. «Мы отстаем на некоторое время, но это всеобъемлющее видение».
Это исследование было частично поддержано Национальным научным фондом.