Mokslininkai sukūrė trimatę „širdį lustelyje“ (angl. heart-on-a-chip, HOC), kuri gali tapti reikšmingu proveržiu kovoje su pagrindine mirties priežastimi pasaulyje – širdies ir kraujagyslių ligomis.
Didžiausias iššūkis slypi tame, kad žmogaus širdies reakcijos į vaistus ar ligas negalime lengvai ir saugiai ištirti, nepatirdami rizikos realiam pacientui. Inžineriniai širdies audiniai, sukurti laboratorijoje, plaka savaime: juose vyksta kalcio jonų mobilizacija, inicijuojanti raumenų susitraukimus, o reakcijos į gerai žinomus vaistus yra prognozuojamos.
Ši „širdis lustelyje“ – pirmasis modelis, kuriame įdiegta dviguba jutimo (sensorių) platforma. Ji leidžia realiuoju laiku stebėti širdies audinio aktyvumą visame jo mastelyje – nuo bendrų audinio pokyčių iki atskirų ląstelių elgsenos.
Neseniai paskelbtame moksliniame darbe kelių Kanados institucijų tyrėjų komanda aprašė, kaip pavyko pasiekti šį, jų teigimu, „reikšmingą proveržį širdies audinių inžinerijoje ir farmakologinių tyrimų srityje“.
Pagrindinis naujumas – integruoti jutikliai, galintys fiksuoti tiek stambaus masto, tiek mikromastelio širdies veiklą. Ankstesnėse HOC platformose, taip pat ir ankstesniame šios komandos modelyje, nebuvo aukštos skiriamosios gebos jutimo ląstelių lygmeniu.
Smulkaus masto jutimas yra ypač svarbus, nes daugelis širdies ir kraujagyslių ligų susijusios su kardiomiocitų – atskirų susitraukiančių ląstelių, sudarančių širdies raumenį (miokardą), – funkcijos sutrikimais. Dėl to ląstelių veiklos matavimas tampa kritiškai svarbus siekiant užkirsti kelią širdies nepakankamumui pacientams, sergantiems šiomis ligomis.
Kurdami HOC modelius, mokslininkai iš žiurkių išskyrė širdies raumenų ląsteles ir širdies jungiamojo audinio ląsteles. Šios ląstelės buvo įterptos į želė pavidalo matricą, kurioje gausu skaidulinių baltymų ir augimą skatinančių maistinių medžiagų, o vėliau pasėtos ant mažų, lanksčių, silicio pagrindu pagamintų lustų.
Į šiuos HOC tyrėjai integravo dviejų tipų jutiklius. Norėdami išmatuoti stambaus masto jėgas, jie sukonstruotus širdies audinius įtvirtino tarp dviejų elastingų kolonėlių. Kaskart audiniui susitraukiant, kolonėlės deformuojasi, o deformacijos dydis atspindi bendrą audinio susitraukimo jėgą.
Be to, pačiame audinyje buvo išdėstyti lankstūs, hidrogelio pagrindo mikrojutikliai. Šių mažyčių, vidutiniškai apie 50 mikrometrų dydžio lašelių forma kinta veikiant vietinėms mechaninėms įtampoms, todėl jie leidžia fiksuoti mechaninius krūvius ląstelių lygmeniu.
Šis metodas yra svarbus žingsnis siekiant patikimai tirti patologijas in vitro, nes ląstelių generuojamos jėgos lemia širdies audinių likimą: jų formavimąsi, persitvarkymą, susitraukimo efektyvumą, žaizdų gijimą ir net kai kuriuos su liga susijusius procesus, pavyzdžiui, vėžio vystymąsi.
In vitro bandymai taip pat gali padėti kurti ir tikslinti vaistų terapiją. Todėl mokslininkai įvertino savo HOC tinkamumą vaistų testavimui, pasirinkę du gerai ištirtus junginius.
Pirmasis buvo norepinefrinas, dar vadinamas noradrenalinu. Ši medžiaga aktyvina organizmo „kovok arba bėk“ reakciją ir medicinoje naudojama širdies veiklai suaktyvinti bei kraujospūdžiui palaikyti, pavyzdžiui, esant širdies sustojimui.
Siekdami ištirti priešingą poveikį – susitraukimo aktyvumo sumažėjimą – tyrėjai taip pat naudojo blebistatiną, raumenų veiklą slopinantį junginį.
Abu vaistai veikė taip, kaip ir buvo prognozuota, o rezultatai parodė, kad HOC modeliai gali patikimai numatyti, kaip širdies generuojamos jėgos ir širdies ritmas keičiasi veikiant dažnai naudojamiems junginiams.
„Galimybė realiuoju laiku stebėti audinio reakciją į skirtingus junginius suteikia didžiulį pranašumą ikiklinikiniuose tyrimuose ir taikomojoje medicinoje“, – teigia pirmasis straipsnio autorius Ali Mousavi, Monrealio universiteto biomedicinos inžinierius.
Vėlesniuose etapuose tyrėjai planuoja modeliuoti konkrečius sutrikimus, formuodami širdies audinius iš pacientų, sergančių įvairiomis širdies ligomis, ląstelių. Tai apima išsiplėtusią kardiomiopatiją – dažnai genetinę širdies raumens ligą, galinčią sukelti širdies nepakankamumą, – taip pat aritmijas, t. y. sutrikimus, kai pakinta širdies ritmo dažnis ir reguliarumas.
Ilgainiui HOC technologija galėtų padėti gydytojams individualiai parinkti gydymą, dar prieš skiriant vaistus atliekant bandymus su paties paciento ląstelėmis.
„Šis proveržis dar labiau priartina mus prie tikrosios personalizuotos sveikatos priežiūros, – apibendrina vyresnysis darbo autorius Houmanas Savoji, Monrealio universiteto mechanikos ir biomedicinos inžinierius. – Tai suteikia galimybę nustatyti efektyviausią medikamentą kiekvienam žmogui dar prieš pradedant gydymą.“
