Η ανακάλυψη στη βιοκατασκευή οργάνων θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο για βιομηχανικές τεχνητές καρδιές – Critical Care

Φωτογραφία: Διπλό κοιλιακό κοιλιακό FRJS (Εικόνα προσφέρεται από SEAS)

Η καρδιακή νόσος είναι θανατηφόρα εν μέρει επειδή η καρδιά, σε αντίθεση με άλλα όργανα, δεν μπορεί να επανορθωθεί μετά από τραυματισμό. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η μηχανική ιστών, συμπεριλαμβανομένης της μαζικής κατασκευής μιας πλήρους ανθρώπινης καρδιάς για εμφύτευση, είναι τόσο σημαντική για το μέλλον της καρδιολογίας. Για να χτίσουν μια ανθρώπινη καρδιά από τη βάση, οι ερευνητές πρέπει να αναπαράγουν τις μοναδικές δομές που αποτελούν την καρδιά. Αυτό περιλαμβάνει την αναδημιουργία σπειροειδών γεωμετρικών σχημάτων, τα οποία δημιουργούν μια περιστροφική κίνηση με τον καρδιακό παλμό. Εδώ και πολύ καιρό υποτίθεται ότι αυτή η περιστροφική κίνηση είναι απαραίτητη για την άντληση αίματος σε μεγάλους όγκους, αλλά η απόδειξη αυτού ήταν δύσκολη, εν μέρει επειδή ο σχηματισμός καρδιών με διαφορετικές γεωμετρίες και ευθυγραμμίσεις ήταν δύσκολος. Τώρα, μια ομάδα βιομηχανικών ανέπτυξε το πρώτο βιο-υβριδικό μοντέλο των ανθρώπινων κοιλιών με ελικοειδή ευθυγραμμισμένα παλλόμενα καρδιακά κύτταρα και έδειξε ότι η ευθυγράμμιση των μυών, στην πραγματικότητα, αυξάνει δραματικά την ποσότητα αίματος που μπορεί να αντλήσει η κοιλία με κάθε συστολή.

Αυτή η πρόοδος κατέστη δυνατή με μια νέα μέθοδο για την κατασκευή πρόσθετων κλωστοϋφαντουργικών προϊόντων, το focused jet spinning (FRJS), η οποία επέτρεψε την παραγωγή υψηλής απόδοσης ελικοειδή ευθυγραμμισμένων ινών με διαμέτρους που κυμαίνονται από αρκετά μικρόμετρα έως εκατοντάδες νανόμετρα. Αναπτύχθηκε στο Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS, Cambridge, MA, ΗΠΑ), οι ίνες FRJS ευθυγραμμίζουν απευθείας τα κύτταρα, επιτρέποντας το σχηματισμό μηχανικών δομών ιστού.

Με το πέρασμα των αιώνων, οι γιατροί και οι επιστήμονες έχτισαν μια πιο ολοκληρωμένη κατανόηση της δομής της καρδιάς, αλλά ο σκοπός της διάταξης των καρδιακών μυών που μοιάζει με σαλιγκάρι παρέμεινε απογοητευτικά δύσκολος. Το 1969, ο Edward Saline υποστήριξε ότι η ελικοειδής ευθυγράμμιση της καρδιάς είναι απαραίτητη για την επίτευξη μεγάλων κλασμάτων εξώθησης – το ποσοστό της ποσότητας αίματος που αντλεί η κοιλία με κάθε συστολή. Για να δοκιμάσουν τη θεωρία του Saline, οι ερευνητές της SEAS χρησιμοποίησαν το σύστημα FRJS για να ελέγξουν την ευθυγράμμιση των ακανθωδών ινών στις οποίες μπορούν να αναπτυχθούν τα καρδιακά κύτταρα.

READ  Ένας αστροναύτης ανέλαβε τον έλεγχο του ρόβερ ενώ μάζευε δείγματα στην Αίτνα. Στο μέλλον, θα είναι στο φεγγάρι

Το πρώτο βήμα του FRJS λειτουργεί σαν βαμβακερή μηχανή – ένα υγρό διάλυμα πολυμερούς φορτώνεται σε μια δεξαμενή και ωθείται προς τα έξω μέσω ενός μικρού ανοίγματος με φυγόκεντρη δύναμη καθώς το μηχάνημα περιστρέφεται. Καθώς το διάλυμα φεύγει από τη δεξαμενή, ο διαλύτης εξατμίζεται και τα πολυμερή στερεοποιούνται για να σχηματίσουν ίνες. Στη συνέχεια, το εστιασμένο ρεύμα αέρα ελέγχει την κατεύθυνση των ινών καθώς εναποτίθενται στον συλλέκτη. Η ομάδα ανακάλυψε ότι με την κλίση και την περιστροφή του συλλέκτη, οι ίνες στο ρεύμα θα στρίβουν και θα περιστρέφονται γύρω από τον συλλέκτη καθώς αυτός περιστρέφεται, μιμούμενοι την ελικοειδή δομή των καρδιακών μυών. Η ευθυγράμμιση των ινών μπορεί να ρυθμιστεί αλλάζοντας τη γωνία του συλλέκτη.

Σε αντίθεση με την τρισδιάστατη εκτύπωση, η οποία γίνεται πιο αργή καθώς ελαχιστοποιούνται τα χαρακτηριστικά, το FRJS μπορεί να περιστρέψει γρήγορα ίνες σε κλίμακα ενός μικρού – ή περίπου 50 φορές μικρότερη από μια ανθρώπινη τρίχα. Αυτό είναι σημαντικό όταν πρόκειται για την κατασκευή μιας καρδιάς από την αρχή. Πάρτε το κολλαγόνο, για παράδειγμα, το οποίο είναι μια πρωτεΐνη εξωκυτταρικής μήτρας στον πυρήνα, η οποία έχει επίσης διάμετρο ενός μικρού. Θα χρειαστούν περισσότερα από 100 χρόνια για να εκτυπωθεί 3D κάθε κομμάτι κολλαγόνου στην ανθρώπινη καρδιά με τέτοια ακρίβεια. Το FRJS μπορεί να το κάνει αυτό σε μια μέρα. Μετά την περιστροφή, οι κοιλίες σπάρθηκαν με καρδιομυοκύτταρα ή καρδιομυοκύτταρα που προέρχονται από ανθρώπινα βλαστοκύτταρα. Μέσα σε περίπου μια εβδομάδα, αρκετά λεπτά στρώματα ιστού που στριμώχτηκε κάλυψαν το ικρίωμα, με κύτταρα να ευθυγραμμίζουν τις ίνες από κάτω. Οι παλλόμενες κοιλίες μιμούνται την ίδια κίνηση συστροφής ή συμπίεσης που υπάρχει στις ανθρώπινες καρδιές.

READ  Οι φυσικοί βρίσκουν έναν νέο τύπο περίεργου πάγου που πιθανόν να βρίσκεται βαθιά στον μανδύα της Γης ή ακόμα και σε εξωγήινους πλανήτες πλούσιους σε νερό

Οι ερευνητές συνέκριναν την κοιλιακή παραμόρφωση, την ταχύτητα ηλεκτρικού σήματος και το κλάσμα εξόδου μεταξύ των κοιλιών που είναι κατασκευασμένες από ελικοειδείς ίνες και εκείνων που είναι κατασκευασμένες από ίνες με περιφερειακή επένδυση. Σε κάθε μέτωπο, διαπίστωσαν ότι οι ελικοειδώς ευθυγραμμισμένοι ιστοί υπερτερούσαν των περιφερειακά ευθυγραμμισμένων ιστών. Η ομάδα έδειξε επίσης ότι η διαδικασία θα μπορούσε να κλιμακωθεί στο μέγεθος μιας πραγματικής ανθρώπινης καρδιάς και ακόμη μεγαλύτερη, στο μέγεθος της καρδιάς μιας φάλαινας μινκι (δεν ανάπτυξαν τα μεγαλύτερα μοντέλα με κύτταρα επειδή απαιτούνται δισεκατομμύρια μυϊκά κύτταρα της καρδιάς ).

«Η ανθρώπινη καρδιά περιέχει στην πραγματικότητα πολλαπλά στρώματα χειρομορφικά ευθυγραμμισμένων μυών με διαφορετικές γωνίες ευθυγράμμισης», δήλωσε ο Huibin Chang, μεταδιδακτορικός συνεργάτης της SEAS. “Με το FRJS, μπορούμε να αναδημιουργήσουμε αυτές τις πολύπλοκες δομές με έναν πραγματικά ακριβή τρόπο, σχηματίζοντας κοιλιακές δομές μονού ή ακόμη και τεσσάρων θαλάμων.”

«Αυτή η εργασία είναι ένα τεράστιο βήμα προς τα εμπρός στον τομέα της βιοσύνθεσης οργάνων και μας φέρνει πιο κοντά στον απώτερο στόχο μας να φτιάξουμε μια ανθρώπινη καρδιά για μεταμόσχευση», δήλωσε η Kate Parker, Καθηγήτρια Βιομηχανικής και Εφαρμοσμένης Φυσικής της οικογένειας Tarr στο SEAS.

Σχετικοί σύνδεσμοι:
θάλασσες

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *