3D štampano robotsko srce

Inženjeri s poznatog Tehnološkog instituta iz Masačuseca (MIT) razvili su 3D štampano robotsko srce koje u potpunosti simulira specifičnu anatomiju i fiziologiju srca pacijenta. Eto prilike da se medicina prilagodi konkretnom čoveku

Studija o ovom istraživanju i dostignuću objavljena je krajem februara ove godine u multidisciplinarnom istraživačkom časopisu Science Robotics. Istraživanje su podržali agencija američke vlade National Science Foundation, National Institutes of Health i National Heart, Lung and Blood Institute.

Razvoj robotskog srca

Tim inženjera predvodi Ellen Roche, vanredna profesorka na Odseku za mašinstvo i Institutu za medicinsko inženjerstvo i nauku. U timu se našao Luca Rosalia, diplomirao na MIT – Harvard programu zdravstvenih nauka i tehnologije, a koautori su Caglar Ozturk, Debkalpa Goswami, Jean Bonnemain i Sophie Wang. Pridružili su im se i Benjamin Bonner (Massachusetts General Hospital), James Weaver (Harvard), kao i Christopher Nguyen, Rishi Puri i Samir Kapadia (Cleveland Clinic). Razvoj robotskog srca otpočeo je u januaru 2020. godine.

Tim je najpre razvio „biorobotičko hibridno srce“ – opšti model (kopiju) srca, napravljen od sintetičkih mišića s malim cilindrima koji su se mogli naduvavati, kako bi mogli da oponašaju kontrakcije pri radu pravog srca. Ubrzo nakon tih napora, pandemija COVID-19 primorala je laboratoriju profesorke Roche, kao i druge laboratorije u kampusu, da se privremeno zatvore. To nije značilo kraj aktivnosti na ovom istraživanju, jer su oni nastavili da rade od kuće.

Srce omogućava precizno rekonstruisanje anatomije pacijenta, u cilju uspešnijeg procesa lečenja

Mesecima kasnije laboratorija je ponovo otvorena, a tim je nastavio tamo gde je stao, radeći na poboljšanju elemenata za pumpanje srca, koje su testirali na životinjskim i računarskim modelima. Zatim su proširili svoj pristup kako bi razvili replike srca koje su specifične za pojedine pacijente. Tada su, u skladu sa sve izraženijim korišćenjem tehnologije 3D štampanja u medicini, izabrali ovu metodu izrade potrebnih elemenata. Ona im je omogućila precizno rekonstruisanje anatomije pacijenta kako bi testiranje lečenja pre procedure na pacijentu bilo što uspešnije.

Postupak izrade

Procedura izrade robotskog srca uključuje najpre pretvaranje medicinskih slika srca pacijenata u 3D kompjuterski model. Kao izvorni materijal, istraživači su koristili medicinske snimke 15 pacijenata kojima je dijagnostikovana aortna stenoza (suženje aortnih zalizaka koje ometa protok krvi). Tim je konvertovao slike svakog pacijenta u 3D kompjuterski model pacijentove leve komore (glavne pumpne komore srca) i aorte (glavne arterije). Zatim su ga ubacili u 3D štampač i dobili meku, anatomski preciznu štampanu kopiju pacijentovog srca, koja u potpunosti odgovara obliku, anatomiji i fiziologiji originala.

Za 3D štampanje koristili su mastilo na bazi polimera koje, kada se jednom odštampa i očvrsne, može da se stisne i rastegne, slično kao što se ponaša pravo srce koje kuca. Na taj način su razvili sistem koji oponaša protok krvi i pritisak bolesnih pacijenata, sugerišući način da se predvide efekti raznih intervencija na pacijentovom srcu i izaberu optimalne.

S obzirom na to da srčani mišić funkcioniše kao pumpa, da bi oponašao rad srca tim je napravio „rukave“ slične manžetnama kod aparata za merenje krvnog pritiska, koje se obmotavaju oko štampanog srca i aorte. Oni su povezani s malim sistemom za pumpanje vazduha. Donja strana svakog „rukava“ podseća na foliju s mehurićima, tako da se može podesiti da izlazni vazduh ritmično naduvava i prazni mehuriće, oponašajući pumpanje srca (kontrakcije i dilatacije).

„Rukavi“ mogu da se podese odvojeno kako bi se prilagođavali štampanim modelima pojedinačno za svakog pacijenta. Takođe, može se naduvati odvojeno „rukav“ koji okružuje štampanu aortu da bi se ostvarilo njeno suženje. Neki od pacijenata su imali već ugrađene implantate radi proširenja aorte. Po uzoru na te intervencije, oni su ugrađeni i u štampanu aortu. Kada je aktivirano pumpanje štampanog srca, pokazalo se da implantirani zalistak proizvodi slično poboljšanje tokova kao kod stvarnih pacijenata nakon hirurških intervencija.

Za 3D štampanje koristili su mastilo na bazi polimera koje, kada jednom očvrsne, može da se stisne i rastegne, slično kao što se ponaša pravo srce

Sledeći korak bio je simulacija nekih intervencija kojima su podvrgnuti ispitivani pacijenti kako bi se videlo kako će reagovati štampano srce i krvni sud (aorta). Pokazalo se da su oni reagovali na isti način kao i srce i aorta pacijenta. Konačno, tim je koristio štampano srce da uporedi implantate različitih veličina kako bi se pri intervenciji izabrao onaj koji će biti optimalan.

Primena robotskog srca

Razvoj robotskog srca ima za cilj da pomogne lekarima da prilagode tretmane (lečenje) specifičnom obliku i funkciji srca pojedinih pacijenata. Jer, kako kaže jedan od najzaslužnijih za ovo dostignuće, Luca Rosalia: „Sva srca su različita“. Veličina i oblik srca variraju od osobe do osobe. Ne postoje dva srca koja kucaju u potpunosti jednako. Ove razlike su posebno izražene kod ljudi sa srčanim oboljenjima kod kojih je, da bi se prevazišla specifična ugrožena funkcija, rad srca i glavnih krvnih sudova otežan.

Vrlo je značajna činjenica da je u svim intervencijama izvedenim uz pomoć robotskog srca ostvarena minimalna invazivna procedura. Danas lekari obično leče aortnu stenozu hirurškom implantacijom sintetičkog zaliska. Većina veštačkih zalizaka trenutno je dizajnirana da oponaša one u zdravim srcima. U budućnosti, zahvaljujući robotskom srcu, lekari bi mogli da prvo naprave 3D štampani model pacijentovog srca i aorte, a zatim da implantiraju različite zaliske u štampani model kako bi videli koji dizajn daje najbolju funkciju i odgovara tom pacijentu.

Razvoj robotskog srca ima za cilj da pomogne lekarima da prilagode tretmane specifičnom obliku i funkciji srca pojedinih pacijenata

Pristup na ovaj način bi mogao značajno da utiče na tržište veštačkih srčanih zalizaka. Ovo globalno tržište bilo je vredno skoro sedam milijardi dolara u 2021. godini, a očekuje se da će dostići 20 milijardi dolara do 2031. godine, usled ekspanzije starije populacije. 3D štampani modeli srca takođe mogu da koriste istraživačke laboratorije i industrija medicinskih uređaja kao realne platforme za testiranje terapija za različite vrste srčanih oboljenja.

Autor: Nadežda Veljković