Vyvinuli ho inžinieri na čele s inžinierom biomedicíny a študentom programu MIT-Harvard Luca Rosaliom.
Inžinieri MIT veria, že pomôžu liečiť pacientov s využitím robotického srdca. Zdroj: Melanie Gonick/MIT
Každý z nás má srdce inej veľkosti a iného tvaru. Na svete nenájdete dve srdcia, ktoré by bili rovnako. Rozdiely vo funkčnosti sŕdc badať najmä u ľudí so srdcovým ochorením, ich srdcia a hlavné cievy musia totiž na zabezpečenie ústredných funkcií pracovať intenzívnejšie.
Inžinieri z Massachusettského technologického inštitútu (MIT) vyvinuli špeciálny postup na 3D tlač mäkkej a flexibilnej repliky pacientovho srdca. Lekárske snímky srdca pacienta najprv premenia na trojrozmerný počítačový model, ktorý potom vytlačia v 3D tlačiarni pomocou atramentu na báze polyméru. Výsledkom je mäkká, pružná škrupina kopírujúca tvar srdca pacienta. Rovnaký prístup môže tím použiť aj na vytlačenie pacientovej aorty – hlavnej tepny, ktorá prenáša krv zo srdca do zvyšku tela.
Aby vedci napodobnili pumpovanie srdca, vytvorili rukávy podobné manžetám tlakomeru, ktoré sa ovinú okolo vytlačeného srdca a vytlačenej aorty. Spodná strana rukáva pripomína precízne vzorkovanú bublinkovú fóliu. Návlek sa pripojí k pneumatickému systému a odborníci potom vyladia prúdenie vzduchu, ktorý z neho uniká, aby rytmicky nafukoval bubliny v návleku a sťahoval srdce – simulujú jeho pumpovanie.
Nafúknuť môžu aj samostatný rukáv obklopujúci aortu, aby zúžili cievu. Zúženie môže byť upravené tak, aby napodobňovalo aortálnu stenózu – stav, keď sa aortálna chlopňa zužuje, čo spôsobuje, že srdce pracuje intenzívnejšie, aby pretlačilo krv do tela.
Lekári dnes bežne liečia aortálnu stenózu chirurgickou implantáciou syntetickej chlopne určenej na rozšírenie prirodzenej chlopne aorty. V budúcnosti by mohli použiť nový postup. Najprv vytlačia srdce a aortu pacienta a potom do vytlačeného modelu implantujú rôzne chlopne, aby zistili, ktorý dizajn sedí konkrétnemu pacientovi najlepšie. Repliky sŕdc by mohli využívať aj vo výskumných laboratóriách a v odvetviach zdravotníckych pomôcok ako realistické platformy na testovanie terapií rôznych typov srdcových ochorení.
Štúdia, na ktorej pracoval predovšetkým študent biomedicíny a postgraduálny študent programu MIT-Harvard Luca Rosalia spolu s desiatimi spoluautormi z ďalších inštitúcií, publikovali v Science Robotics.
„Každé srdce je iné. Výhodou nášho systému je, že dokážeme nielen napodobniť tvar pacientovho srdca, ale zároveň prispôsobiť jeho funkciu potrebám pacienta vzhľadom na ochorenie, ktoré ho trápi,“ povedal Rosalia.
Na vylepšovaní dizajnu srdca pracoval v internátnej izbe
Členovia tímu pod vedením profesorky strojného inžinierstva Ellen Rochovej vyvinuli biorobotické hybridné srdce (repliku pozostávajúcu zo syntetického svalu zloženého z malých nafukovacích valcov, ktoré mohli ovládať tak, aby napodobňovali kontrakcie reálne bijúceho srdca) už v roku 2020. Pandémia covidu-19 však krátko nato prinútila Rochovú, aby svoje laboratórium dočasne zatvorila. Mladého Rosalia však situácia neodradila a vo vylepšovaní dizajnu, ktorý by dokázal srdce rozpumpovať, usilovne pokračoval vo svojej internátnej izbe.
Keď sa po dlhých mesiacoch laboratórium znova otvorilo, pustil sa vedecký tím do vylepšení ovládania návleku na pumpovanie srdca, ktorý otestoval na zvieratách a výpočtových modeloch. Neskôr výskumníci rozšírili svoj prístup k vývoju konkrétnych rukávov a kópií srdca pre jednotlivých pacientov, čo ich napokon priviedlo k použitiu 3D tlače. V oblasti medicíny je o využitie technológie 3D tlače na obnovenie anatómie pacienta veľký záujem,“ konštatuje Sophie Wang z diakonického medicínskeho centra Beth Israel v Bostone.
Na 3D tlačiarni vyrobili presné kópie skutočných sŕdc
Pomocou 3D tlače odborníci vyrobili presné kópie sŕdc skutočných pacientov. Použili pritom atrament na báze polyméru, ktorý sa po vytlačení a vytvrdnutí dokáže stále stlačiť a natiahnuť, podobne ako skutočne bijúce srdce.
Ako predlohy im poslúžili lekárske skeny 15 pacientov s diagnostikovanou aortálnou stenózou. Tím previedol snímky každého pacienta do trojrozmerného počítačového modelu pacientovej ľavej komory a aorty. Model potom vložili do 3D tlačiarne a vytvorili mäkký anatomicky presný obal komory a cievy.
Popritom tím vyrobil aj rukávy na ovinutie vytlačených kúskov, ktoré sa pripoja k systému na pumpovanie vzduchu, aby sa mohli realisticky sťahovať. Pri každom modeli srdca vedci prispôsobili tlak a prietok krvi tak, aby korešpondovali s tými, ktoré predtým namerali reálnym pacientom. „Schopnosť vyrovnať sa s tokom a tlakom krvi pacientov je pre nás inšpirujúcou skúsenosťou. Nekopírujeme totiž len anatómiu srdca, ale replikujeme aj jeho mechaniku a fyziológiu. Z toho sme nadšení,“ poznamenala Rochová.
V ďalšom kroku sa vedci zamerali na replikáciu zásahov, ktoré podstúpili niektorí pacienti, aby si overili, či vytlačené srdce a vytlačená cieva reagujú rovnakým spôsobom. Niektorí pacienti dostali implantáty chlopní na rozšírenie aorty. Rochová s kolegami imitovali chlopne reálnych pacientov a vložili ich do aorty vytlačenej na 3D tlačiarni. Keď vzápätí aktivovali vytlačené srdce, aby pumpovalo, zistili, že ich umelá chlopňa vytvára podobné prietoky ako implantáty, ktoré boli chirurgickým zákrokom vložené do chlopní skutočných pacientov. Nakoniec s využitím umelého srdca porovnali rôzne veľkosti implantátov, aby preskúmali, ktoré z nich najlepšie prispôsobujú tok krvi pacienta.
Mechanizmus by podľa odborníkov mohol pomôcť lekárom pri výbere správneho implantátu. „Pacientovi by urobili skríning, ktorý beztak robia. Na základe neho by sme, ideálne ešte v priebehu daného dňa, zistili, ktorý typ a ktorá veľkosť chlopne sú pre pacienta najvhodnejšie. Takú chlopňu by potom pacientovi implantovali,“ opisuje postup jeden zo spoluautorov štúdie Christopher Nguyen z Clevelandskej kliniky v Ohiu. Implantáty upravené presne podľa potrieb pacienta by mohli pomôcť v liečbe jednotlivcov s komplikovaným tvarom srdca a minimalizovať invazívne chirurgické postupy.
Zdroj: Massachusetts Institute of Technology, Science Robotics
(af)
