Ученые создали миниатюрную копию желудочка сердца — и даже заставили ее биться
Как правило, существует всего несколько вариантов изучения того, как больное или здоровое сердце направляет кровь.
Органы, которые больше не полностью функциональны, например, те, которые были удалены при вскрытии, обеспечивают подлинность без активности. Культуры тканей могут пролить свет на биохимическую функциональность, но они не полностью охватывают гидравлику трехмерной пульсирующей массы.
Животная модель позволяет исследователям проверить, как живое сердце функционирует как насос под влиянием недавно разработанных методов лечения, но это не всегда самый этичный вариант.
Новый орган, похожий на сердце, был выращен в лаборатории с использованием смеси синтетических и биологических материалов. Сами клетки были получены из сердечно-сосудистых тканей молодых крыс, а затем выращены на слое каркаса, напечатанного из полимера с канавками для направления роста ткани.
Эта плоская сетка заставила структуру имитировать расположение волокон сердечной мышцы левого желудочка человека — громоздкой конечной камеры, из которой кровь выбрасывается в аорту одним сильным сжатием.
Чтобы превратить трехслойную стопку сердечных клеток во что-то, больше напоминающее пульсирующую камеру, команда использовала конусообразный стержень, который они назвали дорном. Его ввели в образец ткани, и вуаля – получился простой желудочек. Все, что требовалось, чтобы заставить эту крошечную трубку клеток сердечной мышцы биться, — это серия небольших электрических разрядов.
«До сих пор было предпринято всего несколько попыток создать действительно трехмерную модель желудочка, в отличие от плоских листов сердечной ткани», — уверяет старший автор Милика Радисич, химик из Университета Торонто. По словам Радисич, практически все они были сделаны из одного слоя клеток. Но настоящее сердце имеет много слоев, и клетки в каждом слое ориентированы под разными углами. Когда сердце бьется, эти слои не только сокращаются, но и скручиваются, это немного похоже на то, как вы скручиваете полотенце, чтобы выжать из него воду. Это позволяет сердцу перекачивать больше крови, чем в противном случае.
Имея внутренний диаметр всего полмиллиметра, сосуд едва успевает выбрасывать жидкость при давлении около 5% от давления жидкости в сердце взрослого человека.
Тем не менее, модель является отличным доказательством концепции, которую со временем можно будет увеличить, чтобы включить больше слоев ткани, чтобы представить более сильную систему.
Возможно даже, что со временем остов можно будет снять и включить в него смесь тканей человеческого происхождения, не только улучшив структуру как модель, но и проложив путь к полностью функциональному пересаживаемому органу.
«С помощью этих моделей мы можем изучать не только функции клеток, но и функции тканей и органов, и все это без необходимости инвазивной хирургии или экспериментов на животных», — говорит Радишич.
Хотя исследования в области лечения сердечно-сосудистых заболеваний прошли долгий путь за последние десятилетия, проблемы с сердцем по-прежнему уносят жизни почти 18 миллионов человек во всем мире каждый год.
Крошечная рабочая модель человеческого желудочка может открыть новые возможности для разработки новых лекарств и методов лечения, а также для изучения развития сердечно-сосудистых заболеваний, предоставив исследователям этическую и более точную альтернативу существующим подходам.
«С помощью нашей модели мы можем измерить объем выброса — сколько жидкости выталкивается каждый раз, когда желудочек сокращается, — а также давление этой жидкости», — рассказал биомедицинский инженер Университета Торонто Саргол Оховатян.