Żadne dwa serca nie biją jednakowo. Rozmiar i kształt serca mogą się różnić w zależności od osoby. Różnice te mogą być szczególnie widoczne w przypadku osób żyjących z chorobami serca, ponieważ ich serca i główne naczynia pracują ciężej, aby przezwyciężyć wszelkie upośledzone funkcje.
Inżynierowie z MIT mają nadzieję pomóc lekarzom w dostosowaniu leczenia do specyficznej formy i funkcji serca pacjentów za pomocą niestandardowego robota serca. Zespół opracował procedurę drukowania w 3D miękkiej i elastycznej repliki serca pacjenta. Następnie mogą kontrolować działanie repliki, aby naśladować zdolność pacjenta do pompowania krwi.
Procedura polega najpierw na przekształceniu obrazów medycznych serca pacjenta w trójwymiarowy model komputerowy, który naukowcy mogą następnie wydrukować w 3D przy użyciu atramentu na bazie polimerów. Rezultatem jest miękka, elastyczna skorupa o dokładnym kształcie serca pacjenta. Zespół może również wykorzystać to podejście do wydrukowania aorty pacjenta – głównej tętnicy, która przenosi krew z serca do reszty ciała.
Aby naśladować pompowanie serca, zespół stworzył rękawy podobne do mankietów do pomiaru ciśnienia krwi, które owijają nadrukowane serce i aortę. Spód każdego rękawa przypomina precyzyjnie wzorzystą folię bąbelkową. Kiedy rękaw jest podłączony do systemu pneumatycznego, naukowcy mogą dostroić wypływające powietrze, aby rytmicznie nadmuchać pęcherzyki rękawa i skurczyć serce, naśladując jego działanie pompujące.
Naukowcy mogą również nadmuchać oddzielny rękaw otaczający wydrukowaną aortę, aby zwęzić naczynie. Mówią, że to zwężenie może naśladować zwężenie zastawki aortalnej – stan, w którym zastawka aortalna zwęża się, powodując, że serce pracuje ciężej, aby przepchnąć krew przez ciało.
Lekarze często leczą zwężenie zastawki aortalnej, chirurgicznie wszczepiając syntetyczną zastawkę zaprojektowaną w celu poszerzenia naturalnej zastawki aorty. Zespół twierdzi, że w przyszłości lekarze mogliby potencjalnie wykorzystać nową procedurę do wydrukowania najpierw serca i aorty pacjenta, a następnie wszczepić różne zastawki do wydrukowanego modelu, aby zobaczyć, który projekt zapewnia najlepszą funkcję i dopasowanie do konkretnego pacjenta. Repliki serca mogą być również wykorzystywane przez laboratoria badawcze i przemysł urządzeń medycznych jako realistyczne platformy do testowania terapii różnych typów chorób serca.
„Każde serce jest inne” — mówi Luca Rosalia, absolwent Programu Nauk o Zdrowiu i Technologii MIT-Harvard. „Istnieją ogromne różnice, zwłaszcza gdy pacjenci są chorzy. Zaletą naszego systemu jest to, że możemy odtworzyć nie tylko kształt serca pacjenta, ale także jego funkcję zarówno fizjologiczną, jak i chorobową”.
Rosalia i jego współpracownicy przedstawiają swoje wyniki w badaniu, które ukazało się dzisiaj w Science Robotics. Współautorami z MIT są Caglar Ozturk, Debkalpa Goswami, Jean Bonnemain, Sophie Wang i Ellen Roche, wraz z Benjaminem Bonnerem z Massachusetts General Hospital, Jamesem Weaverem z Uniwersytetu Harvarda oraz Christopherem Nguyenem, Rishi Puri i Samirem Kapadia z Cleveland Clinic w Ohio.
Drukuj i pompuj
W styczniu 2020 roku członkowie zespołu, kierowani przez profesora inżynierii mechanicznej Ellen Roche, opracowali „biorobotyczne serce hybrydowe” – ogólną replikę serca wykonaną z syntetycznego mięśnia zawierającego małe, nadmuchiwane cylindry, którymi mogli sterować, aby naśladować skurcze prawdziwe bijące serce.
Wkrótce po tych wysiłkach pandemia Covid-19 zmusiła laboratorium Roche, podobnie jak większość innych w kampusie, do tymczasowego zamknięcia. Niezrażona Rosalia kontynuowała ulepszanie projektu w domu.
„Tego marca odtworzyłam cały system w moim pokoju w akademiku” – wspomina Rosalia.
Kilka miesięcy później laboratorium zostało ponownie otwarte, a zespół kontynuował tam, gdzie przerwał, pracując nad poprawą kontroli rękawa pompującego serce, co przetestowali na modelach zwierzęcych i obliczeniowych. Następnie rozszerzyli swoje podejście, aby opracować rękawy i repliki serca, które są specyficzne dla poszczególnych pacjentów. W tym celu zwrócili się w stronę druku 3D.
„W medycynie istnieje duże zainteresowanie wykorzystaniem technologii druku 3D do dokładnego odtworzenia anatomii pacjenta do wykorzystania w planowaniu i szkoleniu przed zabiegiem”, zauważa Wang, który jest rezydentem chirurgii naczyniowej w Beth Israel Deaconess Medical Center w Bostonie.
Inkluzywny projekt
W nowym badaniu zespół wykorzystał druk 3D do stworzenia niestandardowych replik serc rzeczywistych pacjentów. Użyli atramentu na bazie polimeru, który po wydrukowaniu i utwardzeniu może ściskać i rozciągać się, podobnie jak prawdziwe bijące serce.
Jako materiał źródłowy naukowcy wykorzystali skany medyczne 15 pacjentów, u których zdiagnozowano zwężenie zastawki aortalnej. Zespół przekształcił obrazy każdego pacjenta w trójwymiarowy model komputerowy lewej komory pacjenta (głównej komory pompującej serca) i aorty. Wprowadzili ten model do drukarki 3D, aby wygenerować miękką, anatomicznie dokładną skorupę zarówno komory, jak i naczynia.
Zespół wyprodukował również rękawy do owijania drukowanych formularzy. Dopasowali kieszenie każdego rękawa w taki sposób, że po owinięciu ich odpowiednich kształtów i podłączeniu do małego systemu pompowania powietrza rękawy można było dostroić osobno, aby realistycznie skurczyć i zwęzić wydrukowane modele.
Naukowcy wykazali, że dla każdego modelu serca mogli dokładnie odtworzyć te same ciśnienia i przepływy pompujące serce, które zostały wcześniej zmierzone u każdego odpowiedniego pacjenta.
„Możliwość dopasowania przepływów i ciśnień pacjentów była bardzo zachęcająca” – mówi Roche. „Nie tylko drukujemy anatomię serca, ale także odtwarzamy jego mechanikę i fizjologię. To jest część, która nas ekscytuje”.
Idąc o krok dalej, zespół miał na celu powtórzenie niektórych interwencji, którym poddano garstkę pacjentów, aby sprawdzić, czy wydrukowane serce i naczynie reagują w ten sam sposób. Niektórym pacjentom wszczepiono implanty zastawkowe mające na celu poszerzenie aorty. Roche i jej współpracownicy wszczepili podobne zastawki w drukowane aorty wzorowane na każdym pacjencie. Kiedy aktywowali wydrukowane serce do pompowania, zauważyli, że wszczepiona zastawka wytwarzała podobnie lepsze przepływy, jak u rzeczywistych pacjentów po implantach chirurgicznych.
Na koniec zespół wykorzystał uruchomione wydrukowane serce do porównania implantów o różnych rozmiarach, aby zobaczyć, który z nich zapewni najlepsze dopasowanie i przepływ – coś, co według nich klinicyści mogliby potencjalnie zrobić dla swoich pacjentów w przyszłości.
„Pacjenci wykonaliby obrazowanie, co i tak robią, a my wykorzystalibyśmy to do stworzenia tego systemu, najlepiej w ciągu dnia” – mówi współautor Nyugen. „Po uruchomieniu klinicyści mogą przetestować różne typy i rozmiary zastawek i zobaczyć, która działa najlepiej, a następnie użyć jej do wszczepienia”.
Ostatecznie Roche twierdzi, że repliki specyficzne dla pacjenta mogą pomóc w opracowaniu i zidentyfikowaniu idealnych terapii dla osób z unikalną i wymagającą geometrią serca.
„Projektowanie obejmujące szeroki zakres anatomii i testowanie interwencji w tym zakresie może zwiększyć adresowalną populację docelową dla procedur minimalnie inwazyjnych” – mówi Roche.
Badania te były częściowo wspierane przez National Science Foundation, National Institutes of Health i National Heart Lung Blood Institute.