La cavità artificiale può essere regolata per simulare condizioni di salute e di malattia. Il team ha manipolato il modello per simulare condizioni di disfunzione ventricolare destra, tra cui ipertensione polmonare e infarto miocardico. Hanno anche utilizzato il modello per testare dispositivi cardiaci. Ad esempio, il team ha impiantato una valvola meccanica per riparare una valvola naturale difettosa, quindi ha osservato come cambiava l'azione di pompaggio della camera in risposta.
Sostengono che la nuova cavità destra robotica, o RRV, possa essere utilizzata come piattaforma realistica per studiare i disturbi della cavità destra e testare dispositivi e terapie destinati al trattamento di tali disturbi.
"La camera cardiaca destra è particolarmente suscettibile a disfunzioni nei reparti di terapia intensiva, soprattutto nei pazienti sottoposti a ventilazione meccanica", afferma Manisha Singh, ricercatrice post-dottorato presso l'Istituto di Ingegneria Medica e Scienze (IMES) del MIT. "Il simulatore RRV potrà essere utilizzato in futuro per studiare gli effetti della ventilazione meccanica sulla camera cardiaca destra e sviluppare strategie per prevenire l'insufficienza cardiaca destra in questi pazienti vulnerabili.".
Singh e i suoi colleghi descrivono in dettaglio il nuovo progetto in un articolo pubblicato oggi su Nature Cardiovascular Research. Tra i coautori figurano la professoressa associata Ellen Roche, senior fellow presso l'IMES e vicedirettrice della ricerca presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica del MIT, insieme a Jean Bonnemain, Caglar Ozturk, Clara Park, Diego Quevedo-Moreno, Meagan Rowlett e Yiling Fan del MIT, Brian Ayers del Massachusetts General Hospital, Christopher Nguyen della Cleveland Clinic e Mossab Saeed del Boston Children's Hospital.
Un balletto di battiti cardiaci
La camera destra è una delle quattro camere del cuore, insieme alla camera sinistra e agli atri destro e sinistro. Delle quattro camere, la camera sinistra è la più importante, poiché la sua spessa muscolatura conica è progettata per pompare il sangue in tutto il corpo. La camera destra, secondo Roche, è una "ballerina" in confronto, poiché svolge un lavoro più leggero ma non per questo meno cruciale.
"La camera cardiaca destra pompa il sangue deossigenato ai polmoni, quindi non deve pompare con la stessa forza", sottolinea Roche. "È un muscolo più sottile, con un'architettura e un movimento più complessi.".
Questa complessità anatomica ha reso difficile per i medici osservare e valutare con precisione la funzione del lato destro del cuore nei pazienti affetti da cardiopatie.
"Spesso gli strumenti convenzionali non riescono a cogliere i complessi meccanismi e le dinamiche della cavità destra, il che può portare a diagnosi errate e strategie di trattamento inadeguate", afferma Singh.
Per migliorare la comprensione della camera cardiaca meno conosciuta e accelerare lo sviluppo di dispositivi cardiaci per il trattamento delle sue disfunzioni, il team ha progettato un modello realistico e funzionale della camera destra che riproduce sia la sua complessa anatomia sia la sua funzione di pompaggio.
Il modello include vero tessuto cardiaco, che il team ha scelto di incorporare perché preserva strutture naturali troppo complesse da riprodurre sinteticamente.
"Ci sono sottili cordoni e piccole valvole con diverse proprietà dei materiali che si muovono tutti all'unisono con il muscolo della cavità. Cercare di fondere o stampare queste strutture così delicate è piuttosto impegnativo", spiega Roche.
La durata della vita di un cuore
Nel nuovo studio, il team riferisce di aver rimosso la camera cardiaca destra da un maiale, trattandola con cura per preservarne le strutture interne. Successivamente, hanno applicato un rivestimento in silicone attorno ad essa, che fungeva da miocardio sintetico e morbido. All'interno di questo rivestimento, il team ha inserito diversi tubi lunghi e simili a palloncini, che circondavano il tessuto cardiaco, in posizioni che, tramite modellazione computerizzata, sono risultate ottimali per riprodurre le contrazioni della camera. I ricercatori hanno collegato ciascun tubo a un sistema di controllo, configurato per gonfiare e sgonfiare ogni tubo a velocità che imitavano il ritmo e il movimento effettivo del cuore.
Per testare la sua capacità di pompaggio, il team ha iniettato nel modello un fluido con una viscosità simile a quella del sangue. Questo particolare fluido era anche trasparente, consentendo agli ingegneri di osservare, tramite una telecamera interna, come le valvole e le strutture interne reagivano al pompaggio del fluido dalla cavità.
Hanno scoperto che la potenza di pompaggio della camera artificiale e la funzione delle sue strutture interne erano simili a quelle precedentemente osservate in animali sani e viventi, dimostrando che il modello può simulare realisticamente l'azione e l'anatomia della camera cardiaca destra. I ricercatori sono stati anche in grado di regolare la frequenza e la potenza dei tubi di pompaggio per riprodurre diverse condizioni cardiache, come aritmie, debolezza muscolare e ipertensione.
"Stiamo 'rianimando' il cuore, in un certo senso, e in un modo che ci permette di studiare e potenzialmente curare le sue disfunzioni", afferma Roche.
Per dimostrare che la cavità artificiale può essere utilizzata per testare dispositivi cardiaci
