Действующая модель
Трехмерная модель левого желудочка сердца, представляющая собой нановолоконный каркас, заселенный клетками сердечной мускулатуры.
Исследователи Гарвардского университета, работающие под руководством профессора Кита Паркера (Kit Parker), создали трехмерную биоинженерную модель левого желудочка человеческого сердца, которую можно использовать для изучения заболеваний, тестирования лекарственных препаратов и разработки индивидуальных методов лечения заболеваний сердца, таких как аритмия.
Ключевым моментом для создания функционального сердечного желудочка является воспроизведение уникальной структуры ткани. В сердце живого организма расположенные параллельно друг другу волокна миокарда выступают в роли каркаса, обеспечивающего правильное расположение кардиомиоцитов, формирующих полую коническую структуру. При сокращении сердца клетки согласованно растягиваются и сокращаются.
Для создания искусственного каркаса авторы использовали платформу для производства нановолокон, известную как пул-спиннинг (pull spinning). В этом подходе используется крутящийся валик, который погружается в резервуар с полимером и вытягивает каплю раствора в струйку. Волокно перемещается по спиральной траектории и затвердевает до отделения от валика и перемещения на коллектор.
Для создания желудочка исследователи использовали комбинацию биоразлагаемых волокон из полиэстера и желатина, собираемые на крутящемся коллекторе, имеющем форму пули. Благодаря вращению коллектора волокна выстраиваются в одном направлении.
Сформированный таким образом трехмерный каркас заселяли миоцитами крысы или кардиомиоцитами человека, полученными из индуцированных стволовых клеток. В течение 3-5 дней каркас покрывался тонким слоем ткани и расположенные параллельно друг другу клетки начинали синхронно сокращаться. Начиная с этого момента исследователи могли регулировать и отслеживать перемещение ионов кальция, а также использовать катетер для изучения давления и объема сокращающегося желудочка.
Прикрепленный к катетеру биоинженерный желудочек из миоцитов новорожденной крысы спонтанно сокращается.
Авторы воздействовали на сформировавшуюся ткань изопротеренолом, препаратом, действие которого аналогично действию адреналина, и оценивали повышение частоты сокращений. Они также прокалывали отверстия в ткани искусственного желудочка, симулируя инфаркт миокарда, и изучали развивающиеся эффекты сердечного приступа in vitro.
Для изучения функционирования желудочка на протяжении продолжительных периодов времени был разработан автономный биореактор, имеющий отдельные камеры для введения различных клапанов, а также дополнительные порты для катетеров и других вспомогательных инструментов. Все это обеспечивает возможность изучения функций искусственного желудочка с помощью обычных клинических методов, таких как оценка петли «объем-давление» и ультразвуковое исследование.
Это устройство позволило культивировать желудочек из кардиомиоцитов на протяжении 6 месяцев. В будущем авторы планируют заселять нановолоконный каркас предварительно дифференцированными клетками пациентов, что обеспечить более эффективную продукцию ткани миокарда. Такие искусственные желудочки можно будет использовать для изучения прогрессии заболеваний, а также для индивидуального подбора наиболее эффективных методов лечения.
По словам авторов, их группа трудится над созданием искусственного сердца уже более 10 лет, и получение искусственного желудочка является очень серьезным достижением. Они начали свою работу с изучения методов получения кардиомиоцитов, потом постепенно перешли к созданию сердечной мышечной ткани и мышечных насосов. В ходе работы они прояснили некоторые фундаментальные принципы строения мышечных насосов и сформулировали идеи подходов к восстановлению повреждений сердца в случаях, когда эти законы нарушаются заболеваниями. Они признают, что впереди еще очень долгий путь к созданию полноценного 4-камерного сердца, однако в последнее время прогресс очень сильно ускорился.
Статья Luke A. MacQueen et al. A tissue-engineered scale model of the heart ventricle опубликована в журнале Nature Biomedical Engineering.
Евгения Рябцева, портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам Harvard University: A 3-D model of a human heart ventricle.