Исследователи разработали устройство, которое может моделировать различные аспекты сердечного приступа, чтобы использовать его для тестирования и разработки новых методик для лечения заболеваний сердца. Команда ученых из отделения биомедицинской инженерии Университета Южной Калифорнии имени Альфреда Э. Манна в США создала прибор, который они называют "инфаркт на чипе".

3D-иллюстрация человеческого сердца с закупоренными артериями. Rasi Bhadramani/iStock 

Понимание причин инфаркта с помощью симуляции

Устройство может имитировать ключевые компоненты сердечного приступа, называемого также инфарктом миокарда, в удобной, структурированной системе. Исследователи надеются, что однажды он послужит местом для тестирования новых лекарственных препаратов для терапии сердца.

"Новая технология позволит нам получить более четкое представление о том, что происходит в сердце после инфаркта. В дальнейшем мы и другие ученые сможем разрабатывать и тестировать препараты, способные ограничить дальнейшую деградацию сердечной ткани, которая может произойти после инфаркта", - говорит Меган Маккейн, доцент кафедры биомедицинской инженерии и биологии стволовых клеток и регенеративной медицины. Она разработала это устройство вместе с постдокторантом Меган Рексиус-Холл.

Сердечно-сосудистые заболевания являются основной причиной смертей в мире

Болезни сердца и сосудов являются основной причиной смерти во многих промышленно развитых странах. Статистика сердечно-сосудистых заболеваний в мире неутешительна — более 18 миллионов смертей, что составляет треть от общего количества умерших. По статистике от сердечно-сосудистых заболеваний в России умирает один миллион человек в год. Наиболее распространенным видом сердечных заболеваний является ишемическая болезнь сердца, которая может привести к инфаркту. Причиной обширного инфаркта является тромбоз, который обычно развивается как осложнение атеросклероза — холестериновые или другие отложения, уменьшают приток крови и кислорода к сердцу.

Если пациент выживает после сердечного приступа, существует вероятность того, что он все равно будет испытывать повышенную утомляемость, недомогание и, возможно, умрет от сердечной недостаточности в ближайшее время. Это объясняется тем, что клетки сердца не восстанавливаются, как другие мышечные ткани. Кроме того, возможно образование рубцов, ослабляющих сердечные мышцы.

Ученым до конца непонятен процесс работы сердечных клеток в здоровой и поврежденной части сердца, передающих сообщения друг другу, и то, как они изменяются после сердечного приступа. Маккейн и Рексиус-Холл очень надеются, что новая технология поможет раскрыть некоторые тайны того, что происходит в организме после инфаркта миокарда. "По сути, мы хотим получить модель, которая может привести к лучшему пониманию травмы, полученной в результате сердечного приступа или инфаркта миокарда", - говорит Рексиус-Холл. 

Микромасштабная модель, имитирующая основные аспекты сердечного приступа. Megan Rexius/University of Southern California

Микрофлюидное устройство

"Инфаркт на чипе", как его назвали ученые, представляет собой прямоугольное микрофлюидное устройство размером чуть меньше дюйма. Это небольшой прозрачный прибор, через который проходит жидкость. Он имеет размеры 22 миллиметра на 22 миллиметра и выполнен из резиноподобного полимера под названием полидиметилсилоксан (PDMS). Прибор имеет два канала на противоположных концах, через которые поступают газы.

Над основанием находится тонкий слой полимера PDMS, который имеет пористую структуру, пропускающую кислород. Полимер покрыт микрослоем белкового материала.   По мнению исследователей, такое устройство, имитирует конструкцию человеческого сердца. Оно сконструировано таким образом, "чтобы клетки сердца выстраивались и формировали ту же архитектуру, как и в наших сердцах", - утверждает Маккейн. Последняя модификация прибора включала сердечные клетки грызунов, которые выращивались поверх белка. 

Для того чтобы имитировать сердечный приступ, через каналы устройства пропускали газ с газ как с кислородом, так и без него. "В какой-то степени это является моделью сердечного приступа. Сердце на чипе испытывает кислородное голодание, аналогичное тому, что происходит при сердечном приступе", - сказал Маккейн. 

Использование инструмента в будущем

Исследователи могут на практике наблюдать за изменениями, возникающими в результате сердечного приступа, рассматривая микрофлюидное устройство под микроскопом, в то время, когда оно имитирует инфаркт. Благодаря такой возможности ученые смогут выявить такие изменения, как аритмия - нерегулярное сердцебиение.

Новая технология позволит исследователям наблюдать за изменениями в имитируемой сердечной ткани в режиме реального времени, что невозможно сделать на животных моделях. "Очень интересно и полезно представить, как наше устройство в ближайшем будущем окажет положительное влияние на жизнь пациентов, особенно при сердечных приступах, которые чрезвычайно распространены", - сказал Маккейн.

В будущем исследователи планируют сделать модель более детальной и сложной. Они надеются включить в нее иммунные клетки или клетки, образующие рубцы после сердечного приступа, называемые фибробластами, для дальнейшего изучения механизмов, происходящих в сердце во время и после инфаркта.

Исследовательская группа также надеется, что маленькая модель позволит в будущем испытать новые сердечные препараты. 

Контрактильные напряжения, создаваемые инженерными сердечными тканями, подвергнутыми воздействию различного количества O2 во время электростимуляции с частотой 2 Гц.

(A) Блок-схема изготовления устройств МТФ с контролем О2. (B) Генерация тканевого напряжения позволяет сократить радиус кривизны при сокращении МТФ от диастолы до пика систолы. Оригинальная длина пленки МТФ (синий цвет) и контролируемый край пленки (красный цвет). Масштабная линейка, 1 мм. (C) МТФ при различных воздействиях O2: равномерная нормоксия (красный открытый круг), равномерная гипоксия (синий открытый круг), нормоксический канал (красный квадрат) градиента O2 и гипоксический канал (синий квадрат) градиента O2. Количественная оценка (D) диастолического напряжения, (E) пиковое систолическое напряжение и (F) судорожное напряжение. Черные линии с погрешностями отражают среднее значение ± SEM. *P < 0,05 (тест Краскела — Уоллиса сравнение средних показателей каждой группы со средними показателями однородной группы нормоксии, множественное сравнение Тест Данна методом апостериорного анализа).

Результаты этого исследования были опубликованы в международном журнале Science Advances.

Источники и ссылки: Журнал Science Advances, Журнал Interesting Engineering, Центры по контролю и профилактике заболеваний.

1. (https://www.cdc.gov/heartdisease/facts.htm)
2. (https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn7097)
3. (https://www.cdc.gov/nchs/fastats/leading-causes-of-death.htm)
4. (https://interestingengineering.com/health/heart-attack-chip-device-could-lead-treatments-cardiovascular)