Μαλακά ρομποτικά μοντέλα καρδιάς κατασκευασμένα ειδικά για τον κάθε ασθενή θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους κλινικούς ιατρούς να επιλέξουν τη καλύτερη εμφυτεύσιμη συσκευή
Δεν υπάρχουν δύο καρδιές που χτυπούν το ίδιο. Το μέγεθος και το σχήμα της καρδιάς διαφέρει από το ένα άτομο στο άλλο. Αυτές οι διαφορές μπορεί να είναι ιδιαίτερα έντονες στα άτομα που ζουν με καρδιακές παθήσεις, καθώς οι καρδιές και τα κύρια αγγεία τους εργάζονται σκληρότερα για να αντιμετωπίσουν την οποιαδήποτε διαταραγμένη λειτουργία.
Μηχανικοί του MIT ελπίζουν τώρα να βοηθήσουν τους γιατρούς να προσαρμόσουν τις θεραπείες στη συγκεκριμένη μορφή και λειτουργία της καρδιάς των εκάστοτε ασθενών με μια προσαρμοσμένη ρομποτική καρδιά.
Η ομάδα ανέπτυξε μια διαδικασία για την τρισδιάστατη εκτύπωση ενός μαλακού και εύκαμπτου αντιγράφου της καρδιάς ενός ασθενούς, τη δράση του οποίου μπορεί να ελέγξει, καθώς εκείνο μιμείται την ικανότητα άντλησης αίματος αυτού του ασθενούς.
Η διαδικασία περιλαμβάνει πρώτα τη μετατροπή ιατρικών εικόνων της καρδιάς σε ένα τρισδιάστατο μοντέλο υπολογιστή, το οποίο οι ερευνητές μπορούν στη συνέχεια να εκτυπώσουν τρισδιάστατα χρησιμοποιώντας ένα μελάνι από πολυμερές. Το αποτέλεσμα είναι ένα μαλακό, εύκαμπτο κέλυφος στο ακριβές σχήμα της καρδιάς του ασθενούς. Η ομάδα μπορεί επίσης να χρησιμοποιήσει αυτήν την προσέγγιση για να εκτυπώσει και την αορτή ενός ασθενούς, δηλ. την κύρια αρτηρία που μεταφέρει αίμα από την καρδιά στο υπόλοιπο σώμα.
Για να μιμηθεί τη δράση άντλησης της καρδιάς, η ομάδα έχει κατασκευάσει μανίκια παρόμοια με τις μανσέτες ενός πιεσόμετρου που τυλίγονται γύρω από μια εκτυπωμένη καρδιά και αορτή. Οι ερευνητές χορηγούν αέρα στην καρδιά για να προκαλέσουν σύσπαση στο ρομποτικό μοντέλο, συστέλλουν και διαστέλλουν τα αγγεία και βλέπουν ακριβώς τον τρόπο λειτουργίας της.
Οι γιατροί συνήθως αντιμετωπίζουν τη στένωση της αορτής εμφυτεύοντας χειρουργικά μια συνθετική βαλβίδα σχεδιασμένη να διευρύνει τη φυσική βαλβίδα της αορτής. Στο μέλλον, η ομάδα λέει ότι οι γιατροί θα μπορούσαν ενδεχομένως να χρησιμοποιήσουν τη μέθοδό τους για να εκτυπώσουν πρώτα την καρδιά και την αορτή ενός ασθενούς και μετά να εμφυτεύσουν μια ποικιλία βαλβίδων στο εκτυπωμένο μοντέλο για να δουν ποιος τύπος προσφέρει την καλύτερη λειτουργία και ταιριάζει στον συγκεκριμένο ασθενή. Τα αντίγραφα της καρδιάς θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιηθούν από ερευνητικά εργαστήρια και από τη βιομηχανία ιατρικών συσκευών ως ρεαλιστικές πλατφόρμες για τη δοκιμή θεραπευτικών συσκευών για διάφορους τύπους καρδιακών παθήσεων.
«Όλες οι καρδιές είναι διαφορετικές», λέει o Luca Rosalia, μεταπτυχιακός φοιτητής στο Πρόγραμμα MIT-Harvard στις Επιστήμες και την Τεχνολογία Υγείας. «Υπάρχουν τεράστιες παραλλαγές, ειδικά όταν μιλάμε για ασθενείς. Το πλεονέκτημα του συστήματός μας είναι ότι μπορούμε να αναδημιουργήσουμε όχι μόνο τη μορφή της καρδιάς ενός ασθενούς, αλλά και να μιμηθούμε τη λειτουργία της τόσο σε φυσιολογικές συνθήκες όσο και στην ασθένεια».
Τον Ιανουάριο του 2020, τα μέλη της ομάδας, με επικεφαλής την καθηγήτρια μηχανολογίας Ellen Roche, ανέπτυξαν μια «βιορομποτική υβριδική καρδιά» – ένα αντίγραφο μιας καρδιάς, κατασκευασμένο από συνθετικό μυ που περιέχει μικρούς, φουσκωτούς κυλίνδρους, τους οποίους μπορούσαν να ελέγξουν για να μιμηθούν τις συσπάσεις μιας αληθινής καρδιάς.
Λίγο μετά από αυτές τις προσπάθειες, η πανδημία της Covid-19 ανάγκασε το εργαστήριο της Roche, μαζί με τα περισσότερα άλλα στην πανεπιστημιούπολη, να κλείσουν προσωρινά. Απτόητος, ο φοιτητής Rosalia συνέχισε να προσαρμόζει το σχέδιο στο σπίτι. «Αναδημιούργησα ολόκληρο το σύστημα μέσα στο δωμάτιο μου τον Μάρτιο», θυμάται.
Μήνες αργότερα, το εργαστήριο άνοιξε ξανά και η ομάδα συνέχισε από εκεί που σταμάτησε. «Υπάρχει μεγάλο ενδιαφέρον στον ιατρικό τομέα για τη χρήση της τεχνολογίας τρισδιάστατης εκτύπωσης για την ακριβή αναδημιουργία της ανατομίας του ασθενούς για χρήση στον προεγχειρητικό σχεδιασμό και εκπαίδευση», λένε οι ερευνητές.
Σχεδιασμός χωρίς αποκλεισμούς
Ως υλικό της μελέτης τους, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ιατρικές σαρώσεις 15 ασθενών που είχαν διαγνωστεί με στένωση αορτής. Η ομάδα μετέτρεψε τις εικόνες της αριστερής κοιλίας (ο κύριος θάλαμος άντλησης της καρδιάς) και της αορτής κάθε ασθενούς σε ένα τρισδιάστατο μοντέλο και έδωσαν αυτό το μοντέλο σε έναν τρισδιάστατο εκτυπωτή για να δημιουργήσουν ένα μαλακό, ανατομικά ακριβές κέλυφος τόσο της κοιλίας όσο και του αγγείου.
Η ομάδα κατασκεύασε επίσης μανίκια που τυλίγουν τις εκτυπωμένες φόρμες και τα προσάρμοσαν έτσι ώστε, όταν τυλίγονται γύρω από τις αντίστοιχες μορφές τους και συνδέονται με ένα μικρό σύστημα άντλησης αέρα, να ρυθμίζονται χωριστά για να συστέλλονται και να διαστέλλονται ρεαλιστικά τα εκτυπωμένα μοντέλα.
Οι ερευνητές για κάθε μοντέλο καρδιάς, μπορούσαν να μιμηθούν με ακρίβεια τις ίδιες πιέσεις και ροές άντλησης αίματος της καρδιάς που είχαν μετρηθεί προηγουμένως σε κάθε ασθενή αντίστοιχα.
Προχωρώντας ένα βήμα παραπέρα, η ομάδα μιμήθηκε μερικές από τις παρεμβάσεις (π.χ. βαλβίδες) στις οποίες υποβλήθηκαν κάποιοι από τους ασθενείς, για να δει εάν η εκτυπωμένη καρδιά και το αγγείο ανταποκρίνονταν με τον ίδιο τρόπο. Η Roche και οι συνεργάτες της εμφύτευσαν παρόμοιες βαλβίδες στις εκτυπωμένες αορτές που διαμορφώθηκαν ανάλογα για τον κάθε ασθενή. Όταν ενεργοποίησαν την εκτυπωμένη καρδιά, παρατήρησαν ότι η εμφυτευμένη βαλβίδα παρήγαγε παρόμοια βελτιωμένες ροές όπως στους πραγματικούς ασθενείς που έφεραν χειρουργικά εμφυτεύματα.
Τέλος, η ομάδα χρησιμοποίησε μια ενεργοποιημένη 3D καρδιά για να συγκρίνει εμφυτεύματα διαφορετικών μεγεθών και να δει ποια θα είχαν την καλύτερη εφαρμογή και ροή – κάτι που οραματίζεται ότι οι κλινικοί γιατροί θα μπορούσαν ενδεχομένως να κάνουν για τους ασθενείς τους στο μέλλον.
«Οι ασθενείς θα έκαναν την απεικόνιση τους, κάτι που κάνουν ούτως ή άλλως, και θα τη χρησιμοποιούσαμε για να φτιάξουμε αυτό το σύστημα, ιδανικά μέσα στην ημέρα», λέει ο συν-συγγραφέας Nguyen. «Μόλις θα έμπαινε σε λειτουργία, οι κλινικοί γιατροί θα μπορούσαν να δοκιμάσουν διαφορετικούς τύπους και μεγέθη βαλβίδων και να δουν ποια λειτουργεί καλύτερα και στη συνέχεια να τη χρησιμοποιήσουν για εμφύτευση».
Τελικά, η Roche λέει ότι τα ειδικά για τον ασθενή αντίγραφα θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην ανάπτυξη και τον εντοπισμό ιδανικών θεραπειών για άτομα με μοναδικές και προκλητικές καρδιακές γεωμετρίες.
«Ο σχεδιασμός χωρίς αποκλεισμούς για ένα μεγάλο εύρος ανατομιών και η δοκιμή παρεμβάσεων σε αυτό το εύρος, μπορεί να αυξήσει τον προσβάσιμο πληθυσμό-
“στόχο” για ελάχιστα επεμβατικές διαδικασίες», καταλήγει η Roche.
