Мягкий роботизированный аналог сердца открывает новые возможности для изучения болезней
Исследователи из UNSW создали мягкого робота, который копирует человеческое сердце. Он способен имитировать болезни и создавать реалистичную среду для тестирования новых сердечных устройств.
Прорыв в моделировании сердца
Учёные из Сиднейского университета Нового Южного Уэльса разработали полностью синтетическое мягкое роботизированное сердце. Оно воспроизводит сложные движения и внутренние структуры настоящего органа - а это открывает путь к лучшим методам лечения, более безопасным медицинским приборам и персонализированной медицине.
Результаты опубликованы в журналах Nature Communications и Advanced Science. В работе представлена бьющаяся модель левой половины сердца с искусственными клапанами, папиллярными мышцами и хордами - теми самыми структурами, которые критически важны для здоровой работы сердца и часто страдают при болезнях.
Устройство точно воспроизводит ситуацию, когда сердечные клапаны пропускают кровь обратно - это повышает риск сердечной недостаточности и других опасных осложнений.
По словам команды, новый мягкий робот со временем поможет глубже понять сердечные патологии, сократить опыты на животных и дать врачам индивидуальные модели пациентов для планирования операций до их проведения.
Почему это важно
Руководитель группы, Scientia Associate Professor Тхань Ньо До из Школы биомедицинской инженерии и Лаборатории медицинской робототехники UNSW, подчёркивает: эта работа важна, потому что сердечно-сосудистые заболевания остаются главной причиной смерти в мире.
«Сердечная недостаточность с сохранённой фракцией выброса (HFpEF) - сложное состояние, которое часто идёт рука об руку с другими проблемами: высоким давлением, аритмией, болезнями почек, ожирением и диабетом, - говорит профессор До. - Поскольку оно проявляется у всех по-разному, разрабатывать медицинские устройства для улучшения работы сердца непросто.
Клапаны сердца критически важны для его эффективности, но болезни делают их дряблыми или жёсткими. Это увеличивает нагрузку на сердце и может привести к его недостаточности.
Наша конечная цель - создать реалистичные искусственные модели сердца, которые помогут исследователям понять болезни и разработать более безопасные и эффективные устройства до того, как их начнут испытывать на животных или применять у пациентов».
Как воссоздали бьющееся сердце
Модель, разработанная в UNSW, - это мягкая гибкая копия левой половины сердца. Внутренние камеры сделаны из силиконовых мембран, а вокруг них обёрнуты мягкие роботизированные искусственные мышцы - они воспроизводят естественное сокращение и скручивание органа.
В отличие от обычных лабораторных моделей, это сердце содержит структуры, управляющие митральным клапаном. В реальности он работает как пара распашных дверей: открывается и закрывается с каждым ударом, чтобы насыщенная кислородом кровь шла в организм, а обратно не просачивалась. Благодаря такой детали исследователи смогут воспроизводить болезни, при которых клапан пропускает кровь назад.
«Модель сделана из гибких материалов и приводится в движение искусственными мышцами, расположенными так, чтобы имитировать слоистую мышечную архитектуру человеческого сердца, - объясняет доктор Джеймс Дэвис, постдок в группе До. - Мы нашли способ смоделировать эту архитектуру с помощью мягких роботизированных искусственных мышечных волокон. Они работают от гидравлического давления, которое мы контролируем, - так наша модель желудочка движется как настоящая.
Затем мы оборачиваем эту искусственную мускулатуру вокруг силиконовых мембран, которые имитируют внутреннюю поверхность левого сердца человека. Так получается наша модель левого сердца и предсердно-желудочкового аппарата. Мембраны удерживают имитированную кровь внутри левого сердца и позволяют качать её в модель и из неё».
Система даёт исследователям возможность активно регулировать натяжение искусственных папиллярных мышц, поддерживающих митральный клапан. Меняя его, команда воссоздала болезненные состояния - пролапс митрального клапана и регургитацию, когда кровь просачивается назад вместо того, чтобы эффективно двигаться через сердце.
Имитация болезней человеческого сердца
С помощью ультразвука и измерений давления с кровотоком учёные показали: искусственное сердце ведёт себя поразительно похоже на настоящее. Здоровые клапаны давали нормальные показатели давления и потока, а при имитации болезни появлялись характерные изменения, которые врачи видят у пациентов.
«В первом исследовании, где удалось воспроизвести внутреннюю клапанную систему человеческого сердца, мы смогли получить кривые давления и кровотока, близкие к реальным», - говорит профессор До. «Критически важно, что мы научились регулировать работу митрального клапана, меняя длину папиллярных мышц. Мы подтвердили это инвазивными замерами давления и потока внутри и снаружи сердца, но также доказали совместимость модели с неинвазивными клиническими методами - например, с УЗИ или эхокардиографией. Имитация здорового митрального клапана соответствовала физиологическим ожиданиям по давлению и кровотоку, а при моделировании болезни мы наблюдали усиление регургитации (обратного тока), падение выходного давления и кровотока - всё это согласуется с реальными заболеваниями сердечных клапанов».
Профессор Найджел Ловелл, глава Школы биомедицинской инженерии и директор Tyree IHealthE, добавил: «Ультразвуковая картина тоже напоминала человеческую - благодаря биомиметической форме и функциям нашей модели. Мы видели движение створок клапанов, как у человека, и наблюдали кровоток через клапаны, включая струи регургитации, которые вытекали из клапанов при смоделированной болезни».
Исследователи также испытали на бьющейся модели новый мягкий роботизированный сердечный катетер. Он смог перемещаться внутри искусственного сердца и фиксировать контакт с движущимися структурами - это показывает, как платформа может ускорить разработку будущих хирургических инструментов.
Меньше опытов на животных
Поскольку симулятор даёт контролируемую и воспроизводимую среду, учёные считают, что он сократит потребность в экспериментах на животных на ранних этапах разработки медицинских устройств. «Мы надеемся создать платформу для всестороннего моделирования сердечных заболеваний и их лечения - от имплантов до хирургических инструментов, - говорит профессор До. - Особенно на ранних стадиях разработки такая платформа позволит контролировать работу сердца, сохраняя анатомическую и физиологическую достоверность, и снизить зависимость от животных моделей, а с ней - затраты и этические проблемы.
Моделируя широкий спектр специфических болезней сердца, например, HFpEF - одну из самых малоизученных и трудно поддающихся лечению форм сердечной недостаточности, - мы надеемся помочь в создании новых имплантов и устройств, которые спасают и улучшают жизни, снижая бремя сердечно-сосудистых заболеваний для системы здравоохранения. HFpEF, на которую приходится 50% случаев сердечной недостаточности, заслуживает собственных механических методов лечения».
Что важнее - модель успешно воспроизвела многие изменения, характерные для HFpEF, включая сбои в работе сердца и кровотоке. Когда исследователи смоделировали один из ранних признаков HFpEF - снижение способности сердца расслабляться между сокращениями, - модель показала, что кровь поступает в сердце медленнее и менее эффективно. Эта задержка наполнения повышала давление внутри сердца - почти как у пациентов с HFpEF.
Учёные также предполагают, что в будущем можно будет создавать версии модели под конкретного пациента на основе данных медицинской визуализации. Такие персонализированные модели помогут врачам оценивать разные устройства и подходы к лечению до операции, улучшая хирургическое планирование и, возможно, результаты.
«С развитием персонализированной медицины мы надеемся обеспечить лучшее моделирование сердечно-сосудистой системы для конкретного пациента - это поможет в планировании операций и выборе типа, размера и параметров импланта, - говорит профессор До. - Мы с нетерпением ждём возможности проверить эти концепции и продвинуться к клиническому внедрению».
Будущая валидация
Хотя исследование демонстрирует потенциал технологии, учёные подчёркивают: текущая модель - это скорее доказательство концепции, а не готовый клинический инструмент. Остаётся ряд проблем: улучшить материалы, доработать системы управления и сделать устройство ещё более совместимым с медицинской визуализацией. Будущие версии должны лучше воспроизводить некоторые аспекты работы сердца и использовать геометрию, приближенную к конкретному пациенту, а не упрощённые структуры.
Самое главное - платформа должна пройти проверку на реальных данных пациентов. «Следующий ключевой шаг - более глубокая валидация на клинических данных, - говорит профессор До. - Текущие исследования демонстрируют убедительную доказательную базу концепции. Модель способна воспроизводить ключевые параметры давления, кровотока, движения, работы клапанов и визуализации, которые соответствуют поведению человеческого сердца. Но прежде чем эту платформу можно будет использовать для принятия клинических решений, необходимо систематически сравнить её с данными пациентов с самыми разными анатомическими особенностями сердца и степенями тяжести заболевания».
В команду также входят профессор Кристофер Хейворд, кардиолог по сердечной недостаточности и трансплантации из больницы Святого Винсента в Сиднее, а также профессор Елена Рняк-Ковачина и доцент Scientia Хоанг-Фуонг Фан из UNSW. Исследователи надеются, что с дальнейшим развитием технологии она найдёт применение в клинической практике.
«Мы рассматриваем текущую модель не как готовый клинический инструмент, а как платформу, открывающую новые возможности, - добавил доктор Дэвис. - Она доказывает, что мягкие роботизированные искусственные сердца способны воспроизводить механику заболеваний так, как это не под силу обычным лабораторным моделям. И она даёт чёткий путь к моделированию под конкретного пациента, тестированию устройств и, в конечном счёте, к планированию лечения».
Университет Нового Южного Уэльса
Теги: мягкий робот, сердце, UNSW, медицина, роботизированная модель, кардиология
