Replici ale inimii realizate prin tehnologia de imprimare 3D, care menţin forma şi funcţia cardiacă specifică pacientului, reuşite de o echipă de cercetători de la MIT şi Harvard.
Oamenii de ştiinţă de la MIT, care au creat noua tehnologie, spun că nu există două inimi la fel, mărimea şi forma acesteia variind de la o persoană la alta. Aceste diferenţe pot fi deosebit de pronunţate în cazul persoanelor care trăiesc cu boli de inimă, întrucât inimile şi vasele lor principale lucrează mai mult pentru a depăşi orice funcţie compromisă.
Noul dispozitiv robotic creat este o replică moale şi flexibilă care poate imita capacitatea de pompare a inimii. Inginerii de la MIT speră să ajute medicii să adapteze tratamentele la forma şi funcţia cardiacă specifică a pacienţilor, cu ajutorul unei inimi robotizate personalizate.
„Toate inimile sunt diferite”, spune Luca Rosalia, student absolvent în cadrul Programului MIT-Harvard în domeniul ştiinţelor şi tehnologiei sănătăţii, într-un comunicat.
„Există variaţii masive, în special atunci când pacienţii sunt bolnavi. Avantajul sistemului nostru este că putem recrea nu doar forma inimii unui pacient, ci şi funcţia sa atât în fiziologie, cât şi în boală”, spune cercetătoarea.
Echipa a dezvoltat o procedură de imprimare 3D a unei replici moi şi flexibile a inimii unui pacient. Ei pot să controleze acţiunea replicii pentru a imita capacitatea de pompare a sângelui a inimii pacientul respectiv.
Procedura presupune mai întâi convertirea imaginilor medicale ale inimii unui pacient într-un model computerizat tridimensional, pe care cercetătorii îl pot imprima apoi în 3D cu ajutorul unor cerneluri pe bază de polimeri.
Rezultatul este o structură moale şi flexibilă, în forma exactă a inimii pacientului. De asemenea, echipa poate folosi această abordare pentru a imprima aorta unui pacient - artera principală care transportă sângele din inimă către restul corpului.
Pentru a imita acţiunea de pompare a inimii, echipa a fabricat manşoane asemănătoare cu manşetele de măsurare a tensiunii arterială care se înfăşoară în jurul inimii şi aortei imprimate. Partea inferioară a fiecărui manşon seamănă cu un model precis al unei folii cu bule de aer. Atunci când manşonul este conectat la un sistem pneumatic, cercetătorii pot regla aerul care iese pentru a umfla în mod ritmic bulele manşonului şi a contracta inima, imitând acţiunea de pompare a acesteia.
Cercetătorii pot, de asemenea, să umfle un manşon separat care înconjoară o aortă imprimată pentru a determina constricţia acestei artere majore.
Această constricţie, spun ei, poate fi reglată pentru a imita stenoza aortică - o afecţiune în care valva aortică se îngustează, determinând inima să lucreze mai mult pentru a forţa sângele să circule prin corp.
Medicii tratează de obicei stenoza aortică prin implantarea chirurgicală a unei valve sintetice, concepute pentru a lărgi valva naturală a aortei.
Echipa spune că medicii ar putea utiliza, în viitor, noua procedură pentru a imprima mai întâi inima şi aorta unui pacient, şi apoi să implanteze o varietate de valve în modelul imprimat pentru a vedea care este cel mai bun design care asigură cea mai bună funcţionare şi potrivire pentru pacientul respectiv.
Replicile de inimă ar putea fi, de asemenea, utilizate de laboratoarele de cercetare şi de industria dispozitivelor medicale ca platforme realiste pentru testarea terapiilor pentru diferite tipuri de boli cardiace.
Echipa şi-a prezentat rezultatele într-un studiu apărut miercuri, în Science Robotics.
În ianuarie 2020, membrii echipei, conduşi de profesorul de inginerie mecanică Ellen Roche, au dezvoltat o „inimă hibridă biorobotică” - o replică generală a unei inimi, realizată din muşchi sintetic care conţine cilindri mici, gonflabili, pe care au putut să o controleze pentru a imita contracţiile unei inimi reale care bate.
La scurt timp după aceste eforturi, pandemia de Covid-19 a forţat laboratorul lui Roche, împreună cu majoritatea celorlalte din campus, să se închidă temporar. Fără să se descurajeze, Rosalia a continuat să ajusteze acasă proiectul de pompare a inimii.
„Am recreat întregul sistem în camera mea de cămin în acel martie”, îşi aminteşte ea.
Câteva luni mai târziu, laboratorul s-a redeschis, iar echipa a continuat de unde a rămas, lucrând pentru a îmbunătăţi controlul manşonului de pompare a inimii, pe care l-a testat pe modele animale şi computaţionale. Apoi şi-au extins abordarea pentru a dezvolta manşoane şi replici ale inimii care sunt specifice fiecărui pacient în parte. Pentru aceasta, au apelat la tehnologia de imprimare 3D.
„Există un interes deosebit în domeniul medical în ceea ce priveşte utilizarea tehnologiei de imprimare 3D pentru a recrea cu acurateţe anatomia pacientului ce poate fi utilizată în planificarea şi pregătirea preprocedurală”, spune Sophie X. Wang, rezident în chirurgie vasculară la Centrul medical Beth Israel Deaconess, din Boston.
În noul studiu, echipa a profitat de imprimarea 3D pentru a produce replici personalizate ale inimilor pacienţilor.
Ei au folosit o cerneală pe bază de polimeri care, odată tipărită şi polimerizată, se poate strânge şi întinde, la fel ca o inimă reală care bate.
Ca material sursă, cercetătorii au folosit scanări medicale ale unui număr de 15 pacienţi, diagnosticaţi cu stenoză aortică.
Echipa a convertit imaginile fiecărui pacient într-un model computerizat tridimensional al ventriculului stâng al pacientului (principala cameră de pompare a inimii) şi a aortei. Ei au introdus acest model într-o imprimantă 3D pentru a genera o structură moale şi anatomic precisă, atât a ventriculului, cât şi a arterei.
Echipa a fabricat, de asemenea, manşoane care să înfăşoare structurile inimii imprimate. Ei au adaptat buzunarele fiecărui manşon astfel încât, atunci când sunt înfăşurate în jurul acestor structuri şi sunt conectate la un mic sistem de pompare a aerului, manşoanele să poată fi reglate separat pentru a se contracta şi a contracta în mod realist modelele imprimate.
Cercetătorii au arătat că, pentru fiecare model de inimă, au putut recrea cu exactitate aceleaşi presiuni şi fluxuri de pompare a inimii care au fost măsurate anterior la fiecare pacient în parte.
„Faptul că am reuşit să potrivim fluxurile şi presiunile pacienţilor a fost foarte încurajator”, spune Roche. „Nu doar că imprimăm anatomia inimii, ci şi replicăm mecanica şi fiziologia acesteia”, a precizat ea.
Mergând mai departe, echipa a urmărit să reproducă unele dintre intervenţiile la care au fost supuşi câţiva dintre pacienţi, pentru a vedea dacă inima şi artera imprimate au răspuns în acelaşi mod.
Unii pacienţi primiseră implanturi de valve concepute pentru a lărgi aorta. Roche şi colegii săi au implantat valve similare în aortele imprimate după modelul fiecărui pacient. Când au activat inima imprimată pentru a pompa, au observat că valva implantată a produs fluxuri îmbunătăţite în mod similar cu cele înregistrate la pacienţii reali în urma implanturilor chirurgicale.
În cele din urmă, echipa a folosit o inimă imprimată 3D pentru a compara implanturi de diferite dimensiuni, şi a vedea care ar avea ca rezultat cea mai bună potrivire şi cel mai bun flux - ceva ce, în viziunea lor, medicii ar putea face pentru pacienţii lor în viitor.
„Pacienţii şi-ar face testele imagistice, pe care le fac oricum, iar noi le-am folosi pentru a realiza acest sistem, în mod ideal în decurs de o zi”, spune coautorul studiului, Christopher Nguyen de la clinica din Cleveland, Ohio.
„Odată ce este funcţional, medicii ar putea testa diferite tipuri şi dimensiuni de valve şi ar putea vedea care funcţionează cel mai bine ca implant”, explică cercetătorul.
Autorii spun că replicile de inimă, specifice pacientului, ar putea ajuta la dezvoltarea şi identificarea tratamentelor ideale pentru persoanele cu geometrii cardiace unice şi dificile.
Potrivit autorilor, proiectarea incluzivă pentru o gamă largă de anatomii şi testarea intervenţiilor în această gamă ar putea creşte populaţia ţintă abordabilă pentru procedurile minim invazive.
Echipa de la MIT (Institututul de Tehnologie din Massachusetts) a lucrat la acest studiu alături de colegi de la Massachusetts General Hospital, universitatea Harvard şi Clinica Cleveland, din Ohio, Statele Unite.
(Sursa Foto: Replicile de inimă personalizate, imprimate în 3D, sunt specifice fiecărui pacient şi ar putea ajuta medicii să aleagă cel mai bun implant pentru fiecare persoană în parte. Credit: Melanie Gonick, MIT)
