Προσαρμοσμένα, τρισδιάστατα εκτυπωμένα αντίγραφα καρδιάς λειτουργούν ακριβώς όπως τα πραγματικά

Καμία καρδιά δεν χτυπάει το ίδιο. Το μέγεθος και το σχήμα της καρδιάς μπορεί να διαφέρει από άτομο σε άτομο. Αυτές οι διαφορές μπορεί να είναι ιδιαίτερα έντονες για τα άτομα που ζουν με καρδιακή νόσο, καθώς η καρδιά και τα μεγάλα αγγεία τους εργάζονται σκληρότερα για να ξεπεράσουν οποιαδήποτε μειωμένη λειτουργία.

Οι μηχανικοί του MIT ελπίζουν να βοηθήσουν τους γιατρούς να προσαρμόσουν τις θεραπείες στη συγκεκριμένη μορφή και λειτουργία της καρδιάς των ασθενών, με μια προσαρμοσμένη ρομποτική καρδιά. Η ομάδα έχει αναπτύξει μια διαδικασία για την τρισδιάστατη εκτύπωση ενός μαλακού και εύκαμπτου αντιγράφου της καρδιάς ενός ασθενούς. Στη συνέχεια, μπορούν να ελέγχουν τη δράση του αντιγράφου για να μιμηθούν την ικανότητα άντλησης αίματος του εν λόγω ασθενούς.

Η διαδικασία περιλαμβάνει πρώτα τη μετατροπή ιατρικών εικόνων της καρδιάς ενός ασθενούς σε τρισδιάστατο μοντέλο υπολογιστή, το οποίο οι ερευνητές μπορούν στη συνέχεια να εκτυπώσουν τρισδιάστατα χρησιμοποιώντας πολυμερές μελάνι. Το αποτέλεσμα είναι ένα μαλακό, εύκαμπτο κέλυφος στο ακριβές σχήμα της καρδιάς του ίδιου του ασθενούς. Η ομάδα μπορεί επίσης να χρησιμοποιήσει αυτή την προσέγγιση για να εκτυπώσει την αορτή ενός ασθενούς - τη μεγάλη αρτηρία που μεταφέρει το αίμα από την καρδιά στο υπόλοιπο σώμα.

Για να μιμηθεί την αντλητική δράση της καρδιάς, η ομάδα κατασκεύασε "μανδύες" παρόμοιους με τις μανσέτες αρτηριακής πίεσης που τυλίγονται γύρω από μια εκτυπωμένη καρδιά και αορτή. Η κάτω πλευρά κάθε μανδύα μοιάζει με μεμβράνη φυσαλίδων με ακριβές σχέδιο. Όταν ο μανδύας είναι συνδεδεμένος με ένα πνευματικό σύστημα, οι ερευνητές μπορούν να ρυθμίσουν τον αέρα που εκρέει ώστε να φουσκώνουν ρυθμικά οι φυσαλίδες του και να συστέλλεται η καρδιά, μιμούμενοι την αντλητική της δράση. 

Οι ερευνητές μπορούν επίσης να φουσκώσουν ένα ξεχωριστό μανδύα που περιβάλλει μια τυπωμένη αορτή για να συστέλλει το αγγείο. Αυτή η συστολή, λένε, μπορεί να ρυθμιστεί ώστε να μιμηθεί τη στένωση της αορτής - μια κατάσταση κατά την οποία η αορτική βαλβίδα στενεύει, προκαλώντας την καρδιά να εργάζεται σκληρότερα για να προωθήσει το αίμα μέσα στο σώμα.

Οι γιατροί αντιμετωπίζουν συνήθως τη στένωση της αορτής με τη χειρουργική εμφύτευση μιας συνθετικής βαλβίδας που έχει σχεδιαστεί για να διευρύνει τη φυσική βαλβίδα της αορτής. Στο μέλλον, η ομάδα λέει ότι οι γιατροί θα μπορούσαν ενδεχομένως να χρησιμοποιήσουν τη νέα τους διαδικασία για να εκτυπώσουν πρώτα την καρδιά και την αορτή ενός ασθενούς και στη συνέχεια να εμφυτεύσουν μια ποικιλία βαλβίδων στο εκτυπωμένο μοντέλο για να δουν ποιος σχεδιασμός οδηγεί στην καλύτερη λειτουργία και εφαρμογή για τον συγκεκριμένο ασθενή. Τα αντίγραφα της καρδιάς θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιηθούν από ερευνητικά εργαστήρια και τη βιομηχανία ιατρικών συσκευών ως ρεαλιστικές πλατφόρμες για τη δοκιμή θεραπειών για διάφορους τύπους καρδιακών παθήσεων.

"Όλες οι καρδιές είναι διαφορετικές", λέει ο Luca Rosalia, μεταπτυχιακός φοιτητής στο πρόγραμμα MIT-Harvard Program in Health Sciences and Technology. "Υπάρχουν τεράστιες παραλλαγές, ειδικά όταν οι ασθενείς είναι άρρωστοι. Το πλεονέκτημα του συστήματός μας είναι ότι μπορούμε να αναδημιουργήσουμε όχι μόνο τη μορφή της καρδιάς ενός ασθενούς, αλλά και τη λειτουργία της τόσο στη φυσιολογία όσο και στην ασθένεια".

Ο Rosalia και οι συνάδελφοί του αναφέρουν τα αποτελέσματά τους σε μελέτη που δημοσιεύεται σήμερα στο Science Robotics. Οι συν-συγγραφείς του MIT περιλαμβάνουν τους Caglar Ozturk, Debkalpa Goswami, Jean Bonnemain, Sophie Wang και Ellen Roche, μαζί με τους Benjamin Bonner του Γενικού Νοσοκομείου της Μασαχουσέτης, James Weaver του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ και τους Christopher Nguyen, Rishi Puri και Samir Kapadia της Κλινικής Cleveland στο Οχάιο.

Τον Ιανουάριο του 2020, τα μέλη της ομάδας, με επικεφαλής την καθηγήτρια μηχανολογίας Ellen Roche, ανέπτυξαν μια "βιορομποτική υβριδική καρδιά" - ένα γενικό αντίγραφο μιας καρδιάς, κατασκευασμένο από συνθετικό μυ που περιέχει μικρούς, φουσκωτούς κυλίνδρους, τους οποίους μπορούσαν να ελέγχουν ώστε να μιμούνται τις συσπάσεις μιας πραγματικής καρδιάς που χτυπάει.

Λίγο μετά τις προσπάθειες αυτές, η πανδημία του Covid-19 ανάγκασε το εργαστήριο της Roche, όπως και τα περισσότερα άλλα στην πανεπιστημιούπολη, να κλείσει προσωρινά. Απτόητη, η Ροζαλία συνέχισε να βελτιώνει το σχέδιο της καρδιακής αντλίας στο σπίτι της.

"Αναδημιούργησα ολόκληρο το σύστημα στο δωμάτιο του κοιτώνα μου εκείνον τον Μάρτιο", θυμάται η Rosalia.

Μήνες αργότερα, το εργαστήριο άνοιξε ξανά και η ομάδα συνέχισε από εκεί που σταμάτησε, δουλεύοντας για να βελτιώσει τον έλεγχο του μανικιού της καρδιακής αντλίας, το οποίο δοκίμασε σε ζώα και υπολογιστικά μοντέλα. Στη συνέχεια επέκτειναν την προσέγγισή τους για να αναπτύξουν μανίκια και αντίγραφα καρδιάς που είναι ειδικά για μεμονωμένους ασθενείς. Για το σκοπό αυτό, στράφηκαν στην τρισδιάστατη εκτύπωση.

"Υπάρχει μεγάλο ενδιαφέρον στον ιατρικό τομέα για τη χρήση της τεχνολογίας τρισδιάστατης εκτύπωσης για την ακριβή αναπαράσταση της ανατομίας των ασθενών για χρήση στον προ-χειρουργικό σχεδιασμό και την εκπαίδευση", σημειώνει ο Wang, ο οποίος είναι ειδικευόμενος αγγειοχειρουργός στο Beth Israel Deaconess Medical Center στη Βοστώνη.

Στη νέα μελέτη, η ομάδα αξιοποίησε την τρισδιάστατη εκτύπωση για να παράγει προσαρμοσμένα αντίγραφα πραγματικών καρδιών ασθενών. Χρησιμοποίησαν ένα μελάνι με βάση ένα πολυμερές, το οποίο, αφού εκτυπωθεί και σκληρυνθεί, μπορεί να συμπιεστεί και να τεντωθεί, παρόμοια με μια πραγματική καρδιά που χτυπάει.

Ως αρχικό υλικό, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ιατρικές τομογραφίες 15 ασθενών που είχαν διαγνωστεί με στένωση της αορτής. Η ομάδα μετέτρεψε τις εικόνες κάθε ασθενούς σε ένα τρισδιάστατο μοντέλο υπολογιστή της αριστερής κοιλίας (ο κύριος θάλαμος άντλησης της καρδιάς) και της αορτής του ασθενούς. Εισήγαγαν 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 για να τυλίξει τις εκτυπωμένες φόρμες. Προσάρμοσαν τις τσέπες κάθε μανδύα έτσι ώστε, όταν τυλίγονται γύρω από τις αντίστοιχες μορφές τους και συνδέονται με ένα μικρό σύστημα άντλησης αέρα, οι μανδύες  μπορούν να ρυθμιστούν ξεχωριστά ώστε να συστέλλονται και να συστέλλονται ρεαλιστικά τα εκτυπωμένα μοντέλα.

Οι ερευνητές έδειξαν ότι για κάθε μοντέλο καρδιάς, μπορούσαν να αναδημιουργήσουν με ακρίβεια τις ίδιες πιέσεις και ροές άντλησης καρδιάς που είχαν προηγουμένως μετρηθεί σε κάθε αντίστοιχο ασθενή.

"Το γεγονός ότι μπόρεσαν να αντιστοιχίσουν τις ροές και τις πιέσεις των ασθενών ήταν πολύ ενθαρρυντικό", λέει η Roche. "Δεν εκτυπώνουμε μόνο την ανατομία της καρδιάς, αλλά αναπαράγουμε επίσης τη μηχανική και τη φυσιολογία της. Αυτό είναι το κομμάτι για το οποίο ενθουσιαζόμαστε".

Πηγαίνοντας ένα βήμα παραπέρα, η ομάδα είχε ως στόχο να αναπαράγει ορισμένες από τις επεμβάσεις στις οποίες υποβλήθηκε μια χούφτα ασθενών, για να δει αν η εκτυπωμένη καρδιά και το αγγείο ανταποκρίνονται με τον ίδιο τρόπο. Ορισμένοι ασθενείς είχαν υποβληθεί σε εμφυτεύματα βαλβίδων που είχαν σχεδιαστεί για να διευρύνουν την αορτή. Η Roche και οι συνάδελφοί της εμφύτευσαν παρόμοιες βαλβίδες στις εκτυπωμένες αορτές που είχαν ως πρότυπο κάθε ασθενή. Όταν ενεργοποίησαν την εκτυπωμένη καρδιά για να αντλήσει, παρατήρησαν ότι η εμφυτευμένη βαλβίδα παρήγαγε παρόμοια βελτιωμένη ροή όπως και σε πραγματικούς ασθενείς μετά τα χειρουργικά τους εμφυτεύματα.

Τέλος, η ομάδα χρησιμοποίησε μια ενεργοποιημένη εκτυπωμένη καρδιά για να συγκρίνει εμφυτεύματα διαφορετικών μεγεθών, για να δει ποιο θα είχε ως αποτέλεσμα την καλύτερη εφαρμογή και ροή - κάτι που οραματίζονται ότι οι κλινικοί γιατροί θα μπορούσαν ενδεχομένως να κάνουν για τους ασθενείς τους στο μέλλον.

"Οι ασθενείς θα έκαναν την απεικόνισή τους, την οποία κάνουν ούτως ή άλλως, και εμείς θα τη χρησιμοποιούσαμε για να φτιάξουμε αυτό το σύστημα, ιδανικά μέσα στην ημέρα", λέει ο συν-συγγραφέας Nguyen. "Μόλις λειτουργήσει, οι κλινικοί γιατροί θα μπορούσαν να δοκιμάσουν διαφορετικούς τύπους και μεγέθη βαλβίδων και να δουν ποιο λειτουργεί καλύτερα, και στη συνέχεια να το χρησιμοποιήσουν για την 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 δύσκολες καρδιακές γεωμετρίες.

"Ο σχεδιασμός που περιλαμβάνει ένα μεγάλο εύρος ανατομιών και η δοκιμή παρεμβάσεων σε αυτό το εύρος μπορεί να αυξήσει τον πληθυσμό-στόχο που μπορεί να απευθυνθεί σε ελάχιστα επεμβατικές διαδικασίες", λέει η Roche.

Η έρευνα αυτή υποστηρίχθηκε, εν μέρει, από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών των ΗΠΑ, το Εθνικό Ινστιτούτο Υγείας των ΗΠΑ και το Εθνικό Ινστιτούτο Καρδιάς Πνεύμονα Αίματος των ΗΠΑ.