Łącząc biologiczne serce i silikonową zrobotyzowaną pompę, badacze stworzyli biorobotyczne serce, które bije jak prawdziwe, ze szczególnym uwzględnieniem zastawki po lewej stronie serca. Symulator zastawki serca, zaprezentowany 10 stycznia w czasopiśmie Device, może naśladować strukturę, funkcję i ruch zdrowego lub chorego serca, umożliwiając chirurgom i badaczom demonstrację różnych interwencji podczas gromadzenia danych w czasie rzeczywistym.
„Symulator ma ogromne zalety jako narzędzie badawcze dla osób badających różne schorzenia i interwencje zastawek serca” – mówi starsza autorka i inżynier biomedyczny Ellen Roche z Massachusetts Institute of Technology. „Może służyć jako platforma szkolenia chirurgicznego dla klinicystów, studentów medycyny i stażystów, umożliwiać inżynierom urządzeń studiowanie nowych projektów, a nawet pomagać pacjentom lepiej zrozumieć własną chorobę i potencjalne metody leczenia”.
Zanim nowe interwencje dotrą do ludzi, przechodzą rygorystyczne testy na symulatorach serca i na zwierzętach. Jednak obecne symulatory serca nie oddają w pełni złożoności serca i mają krótki okres przydatności do spożycia, wynoszący od dwóch do czterech godzin. Badania na zwierzętach są kosztowne i czasochłonne, a ich wyniki nie zawsze przekładają się na ludzi. Biorobotyczne serce może wypełnić te luki w ramach tańszej metody o wielomiesięcznym okresie przydatności do spożycia.
Naukowcy skupili się na niedomykalności mitralnej, schorzeniu, w którym zastawka między lewymi komorami serca nie zamyka się prawidłowo, co powoduje nieszczelność zastawki serca, przez którą krew może przepływać wstecz. Schorzenie to, dotykające około 24,2 miliona ludzi na całym świecie, może powodować duszność, obrzęki kończyn i niewydolność serca. Biorąc pod uwagę złożoność konstrukcji zastawki, operacje korygujące tę wadę są bardzo złożone, co uwydatnia potrzebę stosowania skutecznej technologii i precyzyjnych technik chirurgicznych.
Aby lepiej poznać zastawkę mitralną w stanie zdrowym i chorym, zespół zbudował biorobotyczne serce na bazie serca świni. Naukowcy zastąpili mięsień sercowy w lewej komorze wykonanym z silikonu, miękkim systemem automatycznej pompy uruchamianej powietrzem. Po napompowaniu system skręca i ściska serce jak prawdziwy mięsień sercowy, pompując sztuczną krew przez pozorowany układ krążenia i symulując bicie biologicznego serca.
Kiedy zespół uszkodził zastawkę mitralną w sercu biorobota, okazało się, że ma ona cechy nieszczelnej zastawki serca. Następnie zespół zlecił kardiochirurgom naprawienie uszkodzenia trzema różnymi technikami: zakotwiczeniem wymachującej tkanki płatków zastawki sztucznymi strunami, zastąpieniem zastawki protezą oraz wszczepieniem urządzenia ułatwiającego zamykanie płatków zastawki.
Wszystkie trzy procedury zakończyły się sukcesem, przywracając ciśnienie, przepływ i pracę serca do normy. System umożliwił także zespołowi badawczemu gromadzenie danych w czasie rzeczywistym podczas operacji i jest kompatybilny z obecnymi technologiami obrazowania stosowanymi w klinikach. Ponieważ sztuczna krew zastosowana w systemie jest przezroczysta, umożliwia także bezpośrednią wizualizację zabiegu. Odkrycia wykazały, że urządzenie jest nowym modelem serca.
„Dla chirurgów obserwowanie każdego kroku było naprawdę interesujące” – mówi Roche. „Kiedy pracujesz z pacjentami, nie możesz wyobrazić sobie procesu, ponieważ w sercu jest krew”. Przewiduje, że ich model serca będzie realistycznym środowiskiem do szkolenia i praktyki kardiochirurgicznej.
Następnie zespół dąży do optymalizacji obecnego biorobotycznego układu serca poprzez skrócenie czasu produkcji i jeszcze większe wydłużenie okresu przydatności do spożycia. Zamiast używać świńskiego serca, badają także technologię druku 3D, aby odtworzyć na potrzeby systemu syntetyczne ludzkie serce.
„Nasze biorobotyczne serce może pomóc w usprawnieniu cyklu projektowania urządzenia, umożliwieniu szybkich iteracji, uzyskaniu zatwierdzenia rozwiązań przez organy regulacyjne i szybkim wprowadzeniu ich na rynek” – mówi Roche. „Przyspieszenie i usprawnienie tych procesów ostatecznie przyniesie korzyści pacjentom”.