Die künstliche Herzkammer lässt sich so einstellen, dass sie gesunde und kranke Zustände nachbildet. Das Team nutzte das Modell, um Erkrankungen der rechten Herzkammer, wie pulmonale Hypertonie und Herzinfarkt, zu simulieren. Außerdem testeten sie mit dem Modell Herzimplantate. So implantierten sie beispielsweise eine mechanische Herzklappe, um eine defekte natürliche Herzklappe zu reparieren, und beobachteten anschließend, wie sich die Pumpfunktion der Herzkammer daraufhin veränderte.
Sie behaupten, dass die neue robotische rechte Mundhöhle, oder RRV, als realistische Plattform genutzt werden kann, um Erkrankungen der rechten Mundhöhle zu untersuchen und Geräte und Therapien zu testen, die zur Behandlung dieser Erkrankungen bestimmt sind.
„Die rechte Herzkammer ist auf Intensivstationen besonders anfällig für Funktionsstörungen, insbesondere bei beatmeten Patienten“, sagt Manisha Singh, Postdoktorandin am MIT Institute for Medical Engineering and Science (IMES). „Der RRV-Simulator kann zukünftig eingesetzt werden, um die Auswirkungen der Beatmung auf die rechte Herzkammer zu untersuchen und Strategien zur Prävention von Rechtsherzversagen bei diesen gefährdeten Patienten zu entwickeln.“.
Singh und seine Kollegen berichten in einem heute in Nature Cardiovascular Research erschienenen Artikel über die Details des neuen Designs. Zu ihren Co-Autoren gehören Associate Professor Ellen Roche, Senior Fellow am IMES und stellvertretende Forschungsleiterin am Department of Mechanical Engineering des MIT, sowie Jean Bonnemain, Caglar Ozturk, Clara Park, Diego Quevedo-Moreno, Meagan Rowlett und Yiling Fan vom MIT, Brian Ayers vom Massachusetts General Hospital, Christopher Nguyen von der Cleveland Clinic und Mossab Saeed vom Boston Children's Hospital.
Ein Ballett der Herzschläge
Die rechte Herzkammer ist neben der linken Herzkammer und den beiden Vorhöfen eine der vier Herzkammern. Von diesen vier Kammern ist die linke die wichtigste, da ihre kräftige, kegelförmige Muskulatur das Blut durch den gesamten Körper pumpt. Die rechte Herzkammer hingegen, so Roche, ist im Vergleich dazu eine „Tänzerin“, da sie eine leichtere, aber nicht weniger wichtige Aufgabe übernimmt.
„Die rechte Herzkammer pumpt sauerstoffarmes Blut in die Lunge, muss also nicht so stark pumpen“, erklärt Roche. „Es ist ein dünnerer Muskel mit komplexerer Struktur und Bewegung.“.
Diese anatomische Komplexität erschwert es Ärzten, die Funktion der rechten Herzhälfte bei Patienten mit Herzerkrankungen genau zu beobachten und zu beurteilen.
„Konventionelle Instrumente erfassen oft nicht die komplexen Mechanismen und Dynamiken der rechten Mundhöhle, was zu Fehldiagnosen und unzureichenden Behandlungsstrategien führen kann“, sagt Singh.
Um das Verständnis der weniger bekannten Herzkammer zu verbessern und die Entwicklung von Herzgeräten zur Behandlung ihrer Funktionsstörung zu beschleunigen, entwarf das Team ein realistisches, funktionales Modell der rechten Herzkammer, das sowohl ihre komplexe Anatomie als auch ihre Pumpfunktion erfasst.
Das Modell beinhaltet echtes Herzgewebe, das das Team deshalb einbezog, weil es natürliche Strukturen bewahrt, die zu komplex sind, um synthetisch nachgebildet zu werden.
„Es gibt dünne Stränge und kleine Klappensegel mit unterschiedlichen Materialeigenschaften, die sich alle synchron mit dem Kammermuskel bewegen. Der Versuch, diese sehr filigranen Strukturen zu schmelzen oder zu drucken, ist eine große Herausforderung“, erklärt Roche.
Die Lebensdauer eines Herzens
In der neuen Studie berichtet das Team, dass es die rechte Herzkammer eines Schweins entnommen und sorgfältig behandelt hat, um deren innere Strukturen zu erhalten. Anschließend wurde sie mit einer Silikonschicht umhüllt, die als weiches, synthetisches Myokard diente. In diese Schicht bettete das Team mehrere lange, ballonartige Schläuche ein, die das eigentliche Herzgewebe umschlossen. Die Positionen der Schläuche wurden mithilfe von Computermodellen als optimal für die Nachbildung der Kontraktionen der Herzkammer ermittelt. Jeder Schlauch wurde mit einem Steuerungssystem verbunden, das so konfiguriert wurde, dass es die Schläuche mit einer Frequenz aufblies und entleerte, die dem tatsächlichen Rhythmus und der Bewegung des Herzens entsprach.
Um die Pumpleistung zu testen, füllte das Team das Modell mit einer Flüssigkeit ähnlich der Viskosität von Blut. Diese spezielle Flüssigkeit war zudem transparent, sodass die Ingenieure mithilfe einer internen Kamera beobachten konnten, wie die internen Ventile und Strukturen auf das Pumpen der Flüssigkeit reagierten.
Sie stellten fest, dass die Pumpleistung der künstlichen Herzkammer und die Funktion ihrer inneren Strukturen denen ähnelten, die sie zuvor bei gesunden, lebenden Tieren beobachtet hatten. Dies beweist, dass das Modell die Funktion und Anatomie der rechten Herzkammer realistisch simulieren kann. Die Forscher konnten zudem Frequenz und Leistung der Pumpschläuche anpassen, um verschiedene Herzerkrankungen wie Herzrhythmusstörungen, Muskelschwäche und Bluthochdruck nachzubilden.
„Wir ‚erwecken‘ das Herz in gewisser Weise wieder zum Leben, und zwar auf eine Weise, die es uns ermöglicht, seine Funktionsstörungen zu untersuchen und möglicherweise zu behandeln“, sagt Roche.
Um zu demonstrieren, dass der künstliche Hohlraum zum Testen von Herzgeräten verwendet werden kann
