Искусственную полость можно регулировать, чтобы имитировать здоровое и больное состояния. Команда модифицировала модель для имитации состояний дисфункции правого желудочка, включая легочную гипертензию и инфаркт миокарда. Они также использовали модель для тестирования кардиоустройств. Например, команда имплантировала механический клапан для восстановления неисправного естественного клапана, а затем наблюдала, как изменяется насосная функция камеры в ответ на это.
Они утверждают, что новая роботизированная правая полость рта (RRV) может использоваться в качестве реалистичной платформы для изучения заболеваний правой полости рта, а также для тестирования устройств и методов лечения, предназначенных для борьбы с этими заболеваниями.
«Правая камера сердца особенно подвержена дисфункции в условиях отделения интенсивной терапии, особенно у пациентов, находящихся на искусственной вентиляции легких», — говорит Маниша Сингх, научный сотрудник Института медицинской инженерии и науки (IMES) Массачусетского технологического института. «В будущем симулятор RRV можно будет использовать для изучения влияния искусственной вентиляции легких на правую камеру сердца и разработки стратегий предотвращения правожелудочковой недостаточности у этих уязвимых пациентов».
Сингх и его коллеги сообщают подробности новой конструкции в статье, опубликованной сегодня в журнале Nature Cardiovascular Research. В число их соавторов входят доцент Эллен Рош, старший научный сотрудник IMES и заместитель руководителя исследований в Департаменте машиностроения Массачусетского технологического института, а также Жан Боннемейн, Чаглар Озтюрк, Клара Парк, Диего Кеведо-Морено, Меган Роулетт и Илин Фан из Массачусетского технологического института, Брайан Эйерс из Массачусетской больницы общего профиля, Кристофер Нгуен из Кливлендской клиники и Моссаб Саид из Бостонской детской больницы.
Балет сердцебиений
Правое предсердие — одно из четырех камер сердца, наряду с левым предсердием и левым и правым предсердиями. Из четырех камер левое предсердие является наиболее важным, поскольку его толстая коническая мускулатура предназначена для перекачивания крови по всему телу. Правое предсердие, по мнению Роша, по сравнению с ним — «танцовщица», поскольку оно выполняет более легкую, но не менее важную работу.
«Правая камера сердца перекачивает деоксигенированную кровь в легкие, поэтому ей не приходится работать с такой силой», — отмечает Рош. «Это более тонкая мышца с более сложной структурой и движением».
Эта анатомическая сложность затрудняет врачам точное наблюдение и оценку функции правого отдела сердца у пациентов с заболеваниями сердца.
«Традиционные методы часто не позволяют выявить сложные механизмы и динамику правой полости, что может привести к ошибочной диагностике и неэффективным стратегиям лечения», — говорит Сингх.
Для улучшения понимания малоизученной камеры сердца и ускорения разработки кардиоустройств для лечения ее дисфункции, команда разработала реалистичную функциональную модель правой камеры, которая отражает как ее сложную анатомию, так и насосную функцию.
Модель включает в себя настоящую сердечную ткань, которую команда решила использовать, потому что она сохраняет естественные структуры, слишком сложные для синтетического воспроизведения.
«Там есть тонкие шнуры и небольшие створки клапана с различными свойствами материала, которые движутся синхронно с мышцами полости. Попытка расплавить или напечатать эти очень хрупкие структуры — довольно сложная задача», — объясняет Рош.
Продолжительность жизни сердца
В новом исследовании команда ученых сообщила, что они удалили правую камеру сердца у свиньи, тщательно сохранив ее внутренние структуры. Затем они поместили вокруг нее силиконовую оболочку, которая действовала как мягкий синтетический миокард. Внутри этой оболочки команда встроила несколько длинных трубок, похожих на воздушные шары, окружающих настоящую сердечную ткань, в положениях, которые, по мнению исследователей, были оптимальными для воспроизведения сокращений камеры, что было определено с помощью компьютерного моделирования. Исследователи подключили каждую трубку к системе управления, которую они настроили на надувание и сдувание каждой трубки со скоростью, имитирующей реальный ритм и движение сердца.
Для проверки его насосной способности команда залила в модель жидкость с вязкостью, схожей с вязкостью крови. Эта жидкость также была прозрачной, что позволило инженерам с помощью внутренней камеры наблюдать за реакцией внутренних клапанов и конструкций по мере того, как полость перекачивала жидкость.
Они обнаружили, что насосная мощность искусственной камеры и функционирование ее внутренних структур были аналогичны тем, которые они ранее наблюдали у здоровых живых животных, демонстрируя, что модель может реалистично имитировать работу и анатомию правой камеры сердца. Исследователи также смогли регулировать частоту и мощность насосных трубок, чтобы имитировать различные сердечные заболевания, такие как нерегулярное сердцебиение, мышечная слабость и гипертония.
«В некотором смысле мы „возрождаем“ сердце, и это позволяет нам изучать и, возможно, лечить его дисфункцию», — говорит Рош.
Чтобы продемонстрировать, что искусственная полость может использоваться для тестирования кардиоустройств
