Получить модель сокращающегося сердца очень сложно. Исследователи пробовали разные способы: одни подключали трупные сердца к аппаратам искусственного кровообращения, чтобы заставить их сокращаться, другие прикрепляли к выращенной in vitro сердечной мышце особые пружины, чтобы наблюдать, как она расширяется и сокращается. Каждый подход имеет свои недостатки: «реанимированные» сердца могут биться всего несколько часов, пружины же не воспроизводят силы, действующие на настоящую мышцу.
Группа инженеров, биологов и генетиков под руководством Кристоса Михаса из Бостонского университета разработала новый способ моделирования: они создали камеру сердца на микрожидкостном чипе из комбинации наноинженерных акриловых компонентов и живой ткани человеческого сердца, выращенной из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток. Устройство может дать исследователям более точное представление о том, как работает орган, позволяя, например, отслеживать эмбриональное развитие сердца, изучать патологические изменения или оценивать потенциальную эффективность и побочные эффекты новых методов лечения. Прецизионный однонаправленный микрофлюидный насос (Precision-enabled Unidirectional Microfluidic Pump), или miniPUMP, также может стать прообразом для моделей других органов, от легких до почек.
Человеческое сердце генерирует сложные усилия для перекачивания крови через тело, и хотя известно, что сердечная мышца изменяется в худшую сторону в ответ на аномальные силы, например, из-за высокого артериального давления или недостаточности клапанов, было трудно моделировать и изучить эти патологические процессы.
MiniPUMP функционирует как желудочек сердца. Его площадь составляет всего 3 квадратных сантиметра. Изготовленные с помощью трехмерной печати акриловые компоненты помещены на тонкую пластину, содержащие миниатюрные клапаны, способные открываться и закрываться, чтобы контролировать поток жидкости, и маленькие трубки, несущие эту жидкость точно так же, как это делают в организме артерии и вены. А заставляют жидкость перемещаться сокращающиеся кардиомиоциты, выращенные из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток.
На видеоролике слева – сам мини-желудочек, справа – движение жидкости в акриловом сосуде.
Основой miniPUMP является акриловый каркас, который поддерживает сердечную ткань и движется вместе с ней по мере ее сокращения. Это серия сверхтонких концентрических спиралей, соединенных горизонтальными кольцами.
Крупномасштабная копия каркаса, поддерживающего сердечную ткань.
Чтобы напечатать каждый из компонентов, группа использовала двухфотонное прямое лазерное письмо – более точную версию трехмерной печати. Свет, попадая на жидкую смолу, приводит к ее затвердеванию; поскольку свет может быть направлен с высокой точностью, многие компоненты miniPUMP измеряются в микронах.
Решение сделать каркас таких малых размеров, а не в натуральную величину или больше, было преднамеренным и имеет решающее значение для функционирования модели. Дело в том, что тонкая нить, изготовленная из самого жесткого материала, становится гибкой. Акрил может быть очень жестким, но в масштабах, заданных в miniPUMP, акриловый каркас способен сжиматься бьющимися кардиомиоцитами.
Модель лучше воспроизводит механические функции сердца и в то же время дает возможность моделировать сердца отдельных людей. С помощью этой системы можно подбирать лечение для конкретного пациента, если для создания кардиомиоцитов брать клетки у него.
Следующая цель авторов miniPUMP – усовершенствование технологии и повышение надежности системы.
Статья C.Michas et al. Engineering a living cardiac pump on a chip using high-precision fabrication опубликована в журнале Science Advances.
Аминат Аджиева, портал «Вечная молодость» vechnayamolodost.ru по материалам Boston University: New Miniature Heart Could Help Speed Heart Disease Cures.
