Люди обладают рядом физиологических, психических, когнитивных, физико-химических и других особенностей, которые в совокупности и формируют основные признаки Homo sapiens. Ввиду эволюционных и генетических факторов каждый человек по-своему уникален. И эта уникальность проявляется не только во внешних особенностях, но и в работе внутренних систем. К примеру, сердце человека является одним из важнейших органов, который выполняет одни и те же функции, независимо от его владельца. Однако его форма, размеры, режим работы и даже положение могут отличаться от человека к человеку.

Следовательно, в процессе разработки искусственного сердца для определенного человека необходимо учитывать особенности оригинала. Именно этим и занялись ученые из Массачусетского технологического института (США). Они разработали методику создания мягкого и гибкого роботизированного сердца на 3D принтере с возможностью точной настройки того, как именно оно будет работать.

Из чего сделано искусственное сердце, как именно оно настраивается, и насколько точно оно имитирует оригинал? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Говоря о сердце, сложно не затронуть проблемы, которые с ним связаны. Если бы их не было, то не было бы и необходимости в искусственных эквивалентах. Одной из самых распространенных проблем сердца является аортальный стеноз (АС), который представляет собой сужение устья аортального клапана из-за снижения подвижности створок клапана. Он возникает в результате воспалительных процессов, подобных тем, которые вызывают атеросклероз, когда повреждение эндотелия из-за механического стресса и других биологических процессов вызывает фиброз, утолщение и кальцификацию створок клапана. Хотя АС чаще поражает пожилых людей, его начало и прогрессирование могут быть значительно ускорены из-за врожденных дефектов, таких как порок двустворчатого аортального клапана (ДАК), который возникает при слиянии двух створок аортального клапана.

Гемодинамически сужение устья аортального клапана постепенно приводит к повышению трансаортального градиента давления. Повышенная постнагрузка (или перегрузка давлением) приводит к повышению систолического давления в левом желудочке (ЛЖ) и уменьшению объема, выбрасываемого при каждом сердечном сокращении (ударный объем или УО – объем крови, выталкиваемый левым желудочком сердца к аорте за одно сокращение или правым желудочком к легочной артерии), что приводит к падению сердечного выброса и возникновению таких симптомов, как стенокардия и обмороки при физической нагрузке. У двух третей пациентов с АС перегрузка давлением вызывает ремоделирование ЛЖ, что приводит к потере податливости ЛЖ и, в конечном итоге, к диастолической и/или систолической дисфункции. Это осложнение, вызванное АС, является причиной более высокой смертности или повторной госпитализации среди пациентов, которые перенесли операцию по замене аортального клапана. Не говоря уже о том, что это может привести к сердечной недостаточности.

Как отмечают ученые, только в США от АС страдает порядка 1.5 миллиона человек, а 5-летняя выживаемость при условии отсутствия лечения составляет всего лишь 20%. На сегодняшний день не существует эффективных фармакологических методов лечения АС. По примерным оценкам в США ежегодно проводится от 80 до 85 тысяч операций по замене аортального клапана.

В настоящее время разрабатываются протезы аортальных клапанов нового поколения с целью улучшения гемодинамических характеристик. К сожалению, большинство гидродинамических моделей, используемых в настоящее время для функциональной оценки протезов клапанов, основаны на жестких, идеализированных компонентах и не могут воссоздать анатомию и гемодинамику конкретного пациента.

Недавно для исследований врожденных пороков сердца, расслоения аорты и АС были разработаны гидродинамические платформы, объединяющие реплики аорты, специфичные для пациента. В одном из исследований была продемонстрирована модель для конкретного пациента, которая объединяла формованные копии специфической для пациента геометрии корня аорты и кальцифицированного клапана, полученные по данным компьютерной томографии (КТ) с жесткой системой дублирования ритма. Тем не менее производительность этих гидродинамических моделей во многом зависит от наличия биомеханически значимых полимеров для 3D-печати и точности реконструкции створок.

Таким образом, несмотря на то, что эти напечатанные на 3D-принтере модели сердечных клапанов из нескольких материалов могут быть полезны для понимания влияния кальцификации на гибкость створок для определения размеров клапана при транскатетерной замене аортального клапана (TAVR от transcatheter aortic valve replacement), различия между механическими свойствами гибких материалов, используемых в 3D-принтерах, и свойствами нативных сердечных клапанов могут значительно снизить их способность надежно воспроизводить гемодинамику конкретного пациента.

Взяв за основу свое предыдущее исследование, в котором была продемонстрирована способность аортального рукава воссоздавать гемодинамику АС в модели свиньи, ученые разработали анатомическую гидродинамическую систему, напечатанную на 3D-принтере, которая способна индивидуально имитировать гемодинамики АС.