Сердце без преувеличения можно назвать одним из самых важных органов. Именно потому проблемы с его функционированием, возникающие ввиду травм или заболеваний, так важно вовремя диагностировать и вылечить. Однако не всегда удается сделать это, и тогда начинается разговор о трансплантации, что является сложным процессом как с точки зрения бюрократических моментов, так и сточки зрения сложности операции. Именно потому умные мира сего с таким ярым энтузиазмом пытаются создать искусственное сердце, которое смогло бы в полной мере имитировать работу настоящего. К примеру, ученые из института медицинской инженерии и науки (Массачусетский технологический институт, Кембридж, США) разработали высокоточный симулятор бьющегося сердца, который имитирует (пато)физиологию митрального клапана. Как именно создавалось биороботизированное сердце, как оно работает, и сможет ли оно изменить мир трансплантологии? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.
Основа исследования
Митральная регургитация* (MR от mitral regurgitation) является наиболее распространенной формой поражения сердечного клапана во всем мире. Во всем мире насчитывается порядка 24.2 миллиона случаев.
Митральная регургитация* — обратный ток крови назад через митральный клапан при сокращении левого желудочка во время каждого сердечного цикла.
Пациенты с умеренной и тяжелой формой MR часто нуждаются в лечении методом обычного хирургического вмешательства на открытом сердце или менее инвазивными транскатетерными методами восстановления и замены митрального клапана. Хотя транскатетерная замена аортального клапана оказалась успешной, оптимальный метод операции на митральном клапане остается спорным. Процедура операции на митральном клапане намного сложнее, чем операция на аортальном клапане, из-за его сложной анатомии и взаимоотношением с соседними структурами. Любое нарушение митрального аппарата, состоящего из створки митрального клапана, митрального кольца, сухожильных хорд и сосочковых мышц, может привести к дисфункции митрального клапана. Учитывая данные факты, становится понятно, почему исследования сердца в рамках медицинской инженерии столь распространены.
В рассматриваемом нами сегодня труде ученые переставили биороботический сердечно-сосудистый симулятор, который служит универсальной платформой in vitro для восстановления и замены митрального клапана. Данный симулятор является биороботизированным гибридным сердцем, которое имитирует левое кровообращение сердца с реалистичным анатомическим и функциональным представлением аппарата митрального клапана. Биомиметическое движение мягкого роботизированного миокарда (сердечной мышцы) приводит в движение биороботизированное гибридное сердце, поэтому в тестовом контуре кровообращения, воссоздающем физиологическую гемодинамику, не требуется никакого дополнительного насоса.
Результаты исследования
Изображение №1
Митральный клапан находится между левым предсердием и левым желудочком и обеспечивает правильный кровоток в сердце (1A). Он состоит из митрального кольца, створок, сухожильных хорд и сосочковых мышц, а точное движение каждого компонента имеет решающее значение для правильного функционирования клапана. Изменения митрального аппарата вызывают такие состояния, как митральный пролапс* или митральная регургитация. Для изучения биомеханики клапанов и тестирования внутрисердечных устройств ex vivo часто используются настольные кардиосимуляторы. Однако внутреннее повышение давления в камере желудочка с помощью внешнего жидкостного насоса вызывает систолическое расширение вместо сокращения, что может нарушить движение митрального аппарата (1B).
Пролапс* — выпячивание органа или его части, не покрытой брюшиной, через естественные отверстия.
Чтобы преодолеть эти ограничения, ученые разработали биороботизированное гибридное сердце, которое сочетает в себе химически обработанную ex vivo внутрисердечную ткань (т.е. эндокардиальный каркас) с мягким роботизированным миокардом. Эндокардиальный каркас представляет собой трехмерную структуру, которая демонстрирует сократительные движения, вызываемые окружающим мягким роботизированным миокардом. В активированном состоянии стенки левого желудочка биомиметически сближаются друг с другом, сближая сосочковые мышцы (1C).
Для изготовления биороботизированного гибридного сердца эксплантированные свиные сердца были химически консервированы и обработаны поверхностно-активными веществами, чтобы восстановить их механические свойства и обеспечить анатомическую точность. Нативную ткань миокарда левого желудочка и межжелудочковой перегородки иссекали вручную и заменяли мягкой роботизированной мышцей (1D). Полученная модель точно воспроизводит функциональные и анатомические детали сердца, включая аортальный и митральный клапаны, сосочковые мышцы и сухожильные хорды, которые визуализируются с помощью микрокомпьютерной томографии (микро-КТ) (1E).
Изображение №2
Мягкий роботизированный миокард спроектирован так, чтобы соответствовать размеру и форме эндокардиального каркаса, с использованием биоинспирированной конструкции, включающей два слоя кольцевых и спиральных приводов (2A). Кольцевые приводы в первую очередь способствуют радиальному сокращению, тогда как спиральные приводы способствуют скручивающему движению сердца.
Ранее ученые исследовали основные переменные конструкции, такие как архитектура, жесткость материала и типы мягких приводов, чтобы оценить их влияние на систолическую способность мягкого роботизированного миокарда с помощью анализа методом конечных элементов. Полученная конструкция точно имитирует биомеханику здорового левого желудочка во время систолы*.
Систола* — одно из состояний сердечной мышцы при сердцебиении, а именно сокращение левого и правого желудочков и выброс крови в аорту из левого желудочка и в легочный ствол из правого желудочка. При этом открытыми остаются легочный и аортальный клапаны, а закрытыми — митральный и трехстворчатый клапаны.
Видео №1
Изображение 2B и видео выше демонстрируют выброс воды в результате сжатия и скручивающего движения, создаваемого мягким роботизированным миокардом при его активации. Контролируя уровень срабатывания, можно регулировать сократимость мягкого роботизированного миокарда для достижения желаемой фракции выброса, которая представляет собой объемную долю жидкости, выбрасываемой из камеры желудочка при каждом сокращении.
Взаимосвязь между входным давлением срабатывания и фракцией выброса для различных начальных размеров камеры 42.4 мл и 76.5 мл показана на 2C. Это указывает на то, что одна и та же двухслойная конструкция может использоваться для различных размеров эксплантированных сердец без необходимости повторной оптимизации конструкции мягкого роботизированного миокарда. Кроме того, на 2C показано, что мягкий роботизированный миокард может генерировать фракцию выброса до более 80% и может быть настроен на физиологический диапазон от 50% до 70%.
Движением мягкого роботизированного миокарда можно управлять по желанию, поскольку каждый исполнительный механизм может управляться независимо с помощью электропневматической системы управления. На 2D показано, как активация различных слоев привода может способствовать воссозданию скручивающего движения, только сжатия или того и другого, и показывает результирующее влияние на фракцию выброса. Возможность настройки мягкого роботизированного миокарда для создания диапазона давления в камере от 70 до 180 мм рт. ст. продемонстрирована на 2E. Это позволяет предположить, что как здоровая, так и нездоровая гемодинамика могут быть воссозданы с помощью данной системы.
Имитация кровообращения была создана для моделирования левого кровообращения сердца с использованием модели, которая сочетает в себе механические и гидравлические компоненты. В качестве насоса в проточной петле использовался мягкий роботизированный миокард.
Механические клапаны устанавливаются на выходе и входе для обеспечения однонаправленного потока и представляют собой аортальный и митральный клапаны соответственно. Физические сигналы, такие как давление и расход, измерялись с помощью датчиков, расположенных по всему контуру. Контроль гемодинамики осуществляли путем регулирования параметров контура, сопротивления, преднагрузки и постнагрузки, а также активации мягкого роботизированного миокарда с помощью электропневматической системы управления для контроля его сократимости и частоты сердечных сокращений.
Результаты тестов показали, что биомиметический мягкий роботизированный миокард может точно имитировать физиологическое давление левого кровообращения. Аортальный и митральный кровоток показывают, что мягкий роботизированный миокард обеспечивает однонаправленное объемное смещение.
На 2F показаны схематическая диаграмма установки для биороботизированного сердечно-сосудистого симулятора, который включает в себя имитацию контура левого кровообращения и биороботизированное гибридное сердце.
Изображение №3
Биороботизированное гибридное сердце функционирует как основной насос, который управляет потоком в имитационной петле кровообращения, имитируя перекачку и распределение крови в большом круге кровообращения (3A). Биороботизированное гибридное сердце активируется циклически, а мягкий роботизированный миокард генерирует физиологическую гемодинамику, которая соответствует здоровому левому желудочку с систолическим давлением примерно 120 мм рт. ст., как показано на 3B и видео №1. Чередование митрального и аортального потоков отражает правильное функционирование как аортального, так и митрального клапанов, которые открываются и закрываются благодаря биомиметическому движению мягкого роботизированного миокарда и сохраненной аортомитральной анатомии (3C). Верно работающие клапаны обеспечивают повышение давления в желудочке во время систолической фазы и в аорте во время диастолической* фазы, что приводит к воссозданию физиологического давления. Это указывает на то, что поток, движимый мягким роботизированным миокардом, хорошо регулируется тканевыми клапанами эндокардиального каркаса.
Изображение №4
Диастола* — одно из состояний сердечной мышцы при сердцебиении, а именно расслабленное в интервале между сокращениями (систолами).
С помощью эхокардиографии и видеоэндоскопа ученые наблюдали сокращающееся движение эндокардиального каркаса, которое приводится в движение окружающим мягким роботизированным миокардом (3D). При срабатывании стенки левого желудочка движутся навстречу друг другу, имитируя естественное сердце и приближая сосочковые мышцы друг к другу. Как показано на 4A и 4B, и аортальный, и митральный клапаны подвергаются физиологическому движению в биороботизированном гибридном сердце (Видео №2).
Видео №2
Во время диастолической фазы аортальный клапан закрывается, а во время систолической фазы он открывается для выбрасывания жидкости. Аналогично, митральный клапан открывается во время диастолической фазы, обеспечивая наполнение левого желудочка, и плотно закрывается во время систолической фазы. Биомиметическое движение стенки левого желудочка сближает сосочковые мышцы, уменьшая силу фиксации хорд и позволяя свободным краям створок митрального клапана образовывать коапацию (соединение двух поверхностей) без каких-либо признаков пролапса митрального клапана. Эхокардиография подтверждает сокращение кольца митрального клапана, площадь которого уменьшается на 13.4% (4C). Кинематику движения клапана, включая скорость открытия клапана и сократимость стенки левого желудочка, оценивали путем обработки эхокардиографических изображений. Здоровый диапазон площади кольца митрального клапана и пиковой скорости открытия створок митрального клапана, как сообщается в существующей литературе по эхокардиографическому анализу, составляет примерно 7-12 см2 и 400 ± 60 мм/с соответственно. Как скорость створки митрального клапана, так и площадь кольца, полученные с помощью нашего кардиосимулятора, выходят за пределы указанного диапазона. Это подтверждает точность биороботического сердечно-сосудистого симулятора.
Изображение №5
Разработанный сердечно-сосудистый симулятор может не только воспроизводить здоровую модель сердца, но и быть моделью для патологических или аномальных состояний. Поскольку биороботизированное гибридное сердце создано из материалов ex vivo, есть возможность воссоздать патологию сердца, связанную с анатомическими дефектами, такими как перфорация створок сердечного клапана, разрыв хорд или сосочковых мышц, а также дефекты межпредсердной или межжелудочковой перегородки. В этом исследовании была воссоздана острая MR (от mitral regurgitation, т. е. митральная регургитация). Следовательно, данная симуляционная модель позволяет тестировать различные интервенционные методы лечения МР (видео №3).
Видео №3
Как показано на 5A, острая MR была вызвана в биороботизированном сердце путем перерезания первичных и вторичных хорд в сегменте P2 митрального клапана. Это вызвало пролапс P2, что привело к движению вне плоскости в этой области створок клапана, вызывая умеренную MR (5B).
Чтобы воссоздать более тяжелую форму MR, в сегментах А2 митрального клапана были перерезаны дополнительные хорды, что привело к патологическому движению митральной створки без коаптации (5C). Также наблюдались и сравнивались изменения гемодинамических параметров, включая увеличение отрицательного потока, что позволяет предположить регургитирующий поток через митральный клапан (5D).
Аналогичным образом, когда митральный клапан не закрывается полностью, он подвергается более низкому градиенту давления или силе закрытия во время систолической фазы. Это происходит потому, что левый желудочек испытывает значительно меньшее давление из-за негерметичного клапана во время его сокращения (5E). Давление в левом предсердии увеличивается из-за дефекта митрального клапана, как показано на 5F.
Далее, чтобы продемонстрировать универсальность созданной платформы как реалистичного и высокоточного симулятора in vitro, ученые протестировали использование различных интервенционных техник для лечения MR. Эти методы варьируются от хирургического вмешательства и замены до минимально инвазивного транскатетерного метода.
Изображение №6
В данном опыте для лечения умеренной MR в биороботизированном гибридном сердце применялся метод хирургического восстановления с использованием искусственных хорд, необходимые для коррекции пролапса митрального клапана и создания оптимальной поверхности коаптации в сегменте P2 (6A). Сначала петли фиксировали на сосочковой мышце (6B). Затем их пропускали через ткань створки в области пролапса, после чего концы шва на створке завязывали (6C). Работоспособность восстановленного митрального клапана была подтверждена путем проведения теста с физиологическим раствором перед герметизацией левого предсердия (6D).
С помощью эндоскопической камеры со стороны левого предсердия проверялось движение митрального клапана после имплантации искусственного хордального имплантата. После имплантации пролапс митрального клапана больше не наблюдался. В соответствии с качественными результатами, данные гемодинамики также подтвердили значительное восстановление потока и давления.
До имплантации искусственных хорд наблюдался значительный ретроградный митральный поток, о чем свидетельствует отрицательный поток на 6E. После лечения коаптация створок митрального клапана улучшилась, что привело к значительному снижению фракции регургитации митрального клапана (6F).
Давление также значительно улучшилось после процедуры. До восстановления клапана систолическое желудочковое давление было недостаточным (6G), а давление в левом предсердии было повышено из-за негерметичности митрального клапана во время систолической фазы (6H), что также вызывало падение трансклапанного градиента давления. После восстановления произошло значительное улучшение систолического давления в левом желудочке (MR: 63 ± 1.6 мм рт. ст.; после операции: 104 ± 1.0 мм рт. ст.), давления в левом предсердии (MR: 16 ± 0,24 мм рт. ст.; после операции: 9.3 ± 0.12 мм рт. ст.) и средний градиент давления митрального клапана (MR: 31 ± 1.2 мм рт. ст.; после операции: 62 ± 0.10 мм рт. ст.) (6I, 6J).
Изображение №7
Чтобы продемонстрировать хирургическую замену клапана, ученые использовали биопротез клапана, изготовленный из перикарда свиньи, в биороботическом сердечно-сосудистом симуляторе. За счет вызванного разрыва хорд, была воссоздана тяжелая форма (IV степени) MR, что привело к расшатыванию как передних, так и задних створок. Затем кардиохирург имплантировал биопротез клапана в область митрального кольца (7A). Осмотр с помощью эндоскопической камеры сразу выявил правильное движение клапана как во время диастолы (открыт для наполнения), так и во время систолы (закрыт для создания желудочкового давления) (7B). Замена также улучшила движение аортального клапана.
До замены митрального клапана эхокардиография и видеоэндоскопия показали, что аортальный клапан не полностью открывается с небольшой эффективной площадью отверстия во время систолы. Это указывает на то, что поток, генерируемый сокращением желудочков, разделяется между прямым и обратным направлениями. Однако после имплантации биопротеза аортальный клапан имел значительно большую площадь отверстия во время выброса, поскольку прямой поток улучшался из-за предотвращения обратного потока на входе в митральный канал (7C). До и после замены клапана ученые провели 2D цветную допплеровскую эхокардиографию и не обнаружили регургитационного потока после замены клапана (7D).
Гемодинамические данные подтвердили функциональное восстановление митрального клапана со значительным улучшением митрального кровотока после операции (7E, 7F). Систолическое давление в левом желудочке и предсердное давление улучшились и вернулись к исходному уровню после замены клапана, обеспечивая полную изоляцию потока на митральном входе во время систолы (7G). Градиент давления митрального клапана также был близок к нормальному исходному уровню после замены клапана (7H).
Изображение №8
MitraClip (Abbott Laboratories) — это минимально инвазивная TEER технология, которая является распространенной альтернативой полноценному хирургическому вмешательству (8A). Чтобы продемонстрировать процедуру TEER (транскатетерное восстановление от края до края), сначала в биороботизированном гибридном сердце вызывали умеренную MR путем создания пролапса P2. Затем MitraClip был установлен транссептальным методом (8B). Зажим располагался и ориентировался относительно митрального клапана, затем продвигался мимо клапана и тянулся обратно вверх, чтобы захватить митральные створки. Зажимы были закрыты, чтобы удерживать створки в нужной области митрального клапана, и отсоединились от системы введения, образуя двойное отверстие, позволяющее наполнять его во время диастолической фазы (8C). После TEER процедуры митральный клапан имел характерную морфологию с двойным отверстием, как наблюдалось при 3D-эхокардиографии, и демонстрировал полное закрытие во время систолы без каких-либо признаков пролапса (8D).
Митральный поток, который увеличился как в антероградном, так и в ретроградном направлениях после индукции умеренной регургитации, улучшился после процедуры TEER (8E), демонстрируя значительное улучшение фракции регургитации (8F). Систолическое давление в левом желудочке также значительно улучшилось после процедуры (8G), достигнув физиологического давления 118 ± 0.53 мм рт. ст. по сравнению с 89 ± 0.58 мм рт. ст. в случае наличия MR (8H).
Из-за легкой степени МР (II стадия) для процедуры TEER по сравнению с ранее упомянутыми интервенционными сценариями разница в давлении в левом предсердии была меньшей (8I, 8J). Различия в градиенте давления на митральном клапане заметно отличались после процедуры TEER, при этом средний градиент давления на митральном клапане составлял 68 ± 0.22 мм рт. ст. по сравнению с MR, где средний градиент давления на митральном клапане составлял 48 ± 0.35 мм рт. ст.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
В рассмотренном нами сегодня труде ученые создали искусственное сердце, состоящее как из роботизированных, так и биологических частей. Данная система, как отмечают ее разработчики, является отличным инструментом для изучения и тестирования различных патологических состояний сердца и для обучения медиков.
Прежде чем новые методы лечения начнут применяться на людях, они проходят тщательное тестирование на симуляторах сердца и на животных. Однако современные симуляторы сердца не полностью отражают сложность сердца и имеют короткий срок хранения — от двух до четырех часов. Исследования на животных являются дорогостоящими и отнимают много времени, а результаты не всегда применимы к людям. Биороботическое сердце может восполнить эти пробелы как менее дорогой метод со сроком службы в несколько месяцев.
Исследователи сосредоточились на митральной регургитации — заболевании, при котором клапан между левыми камерами сердца не закрывается должным образом. Это приводит к негерметичности сердечного клапана, при котором кровь может течь в обратном направлении.
Чтобы лучше понять работу митрального клапана в здоровых и больных состояниях, команда создала биороботизированное сердце на основе сердца свиньи. Исследователи заменили сердечную мышцу в левой камере мягкой роботизированной насосной системой из силикона, приводимой в действие воздухом. В надутом состоянии система скручивает и сжимает сердце, как настоящую сердечную мышцу, перекачивая искусственную кровь через систему кровообращения и имитируя биение биологического сердца.
Тестирование системы в разных вариациях ее работы (здоровое состояние, митральная регургитаци разной степени тяжести) показало, что система отлично работает. Также были проведены опыты по хирургическому и малоинвазивному лечению дефектов митрального клапана, которые также прошли успешно.
Ученые уверены, что их творение сможет быть крайне полезным инструментом в проектировании устройств, применяемых для лечения различных дефектов и болезней сердца. А это приведет к более скорому применению данных устройств в клинических условиях, что результирует в спасенных жизнях миллионов людей.
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
