หัวใจจิ๋วใหม่สามารถช่วยเร่งการรักษาโรคหัวใจ

ไม่มีทางปลอดภัยที่จะได้ภาพระยะใกล้ของหัวใจมนุษย์ในขณะที่มันทำงาน: คุณไม่สามารถแค่ดึงมันออกมา ดู แล้วเสียบกลับเข้าไปใหม่ นักวิทยาศาสตร์ได้ลองวิธีต่างๆ ในการแก้ปัญหานี้ ปัญหาพื้นฐาน: พวกเขาได้เชื่อมหัวใจของซากศพเข้ากับเครื่องจักรเพื่อทำให้พวกมันสูบฉีดอีกครั้ง ติดเนื้อเยื่อหัวใจที่ปลูกในห้องแล็บกับสปริงเพื่อดูพวกมันขยายตัวและหดตัว แต่ละวิธีมีข้อบกพร่อง: หัวใจที่ฟื้นคืนชีพสามารถเต้นได้เพียงไม่กี่ชั่วโมง สปริงไม่สามารถจำลองแรงที่ทำงานบนกล้ามเนื้อจริงได้ แต่การทำความเข้าใจอวัยวะสำคัญนี้ให้ดีขึ้นเป็นเรื่องเร่งด่วน: ในอเมริกา มีคนเสียชีวิตด้วยโรคหัวใจทุกๆ 36 วินาที ตามรายงานของศูนย์ควบคุมและป้องกันโรค

ตอนนี้ ทีมวิศวกร นักชีววิทยา และนักพันธุศาสตร์แห่งสหวิทยาการได้พัฒนาวิธีการใหม่ในการศึกษาหัวใจ พวกเขาได้สร้างห้องหัวใจจำลองขนาดจิ๋วจากส่วนประกอบต่างๆ ของนาโนวิศวกรรมและเนื้อเยื่อหัวใจของมนุษย์ ไม่มีสปริงหรือแหล่งพลังงานภายนอกเหมือนของจริง มันแค่เต้นด้วยตัวเองซึ่งขับเคลื่อนด้วยเนื้อเยื่อหัวใจที่มีชีวิตซึ่งเติบโตจากสเต็มเซลล์ อุปกรณ์ดังกล่าวสามารถช่วยให้นักวิจัยมีมุมมองที่ถูกต้องมากขึ้นเกี่ยวกับวิธีการทำงานของอวัยวะ ช่วยให้พวกเขาติดตามว่าหัวใจเติบโตในตัวอ่อนอย่างไร ศึกษาผลกระทบของโรค และทดสอบประสิทธิภาพและผลข้างเคียงของการรักษาแบบใหม่ ทั้งหมดนี้ไม่มีความเสี่ยง ผู้ป่วยโดยไม่ต้องออกจากห้องปฏิบัติการ

ทีมงานที่นำโดยมหาวิทยาลัยบอสตันซึ่งอยู่เบื้องหลัง miniPUMP ที่มีชื่อเล่นว่าแกดเจ็ตและเป็นที่รู้จักอย่างเป็นทางการว่าปั๊มไมโครฟลูอิดิกแบบทิศทางเดียวที่เปิดใช้งานด้วยความแม่นยำของหัวใจกล่าวว่าเทคโนโลยีนี้สามารถปูทางสำหรับการสร้างอวัยวะอื่น ๆ ในห้องปฏิบัติการตั้งแต่ปอดไปจนถึงไต ผลการวิจัยของพวกเขาได้รับการตีพิมพ์ใน Science Advances

“เราสามารถศึกษาความก้าวหน้าของโรคในแบบที่ไม่เคยทำมาก่อนได้” อลิซ ไวท์ ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกลของมหาวิทยาลัย BU และประธานสาขาวิศวกรรมเครื่องกลกล่าว “เราเลือกที่จะทำงานกับเนื้อเยื่อหัวใจเนื่องจากกลไกที่ซับซ้อนเป็นพิเศษ แต่เราแสดงให้เห็นว่า เมื่อคุณนำนาโนเทคโนโลยีมารวมกับวิศวกรรมเนื้อเยื่อ มีความเป็นไปได้ที่จะทำซ้ำสิ่งนี้สำหรับอวัยวะหลายส่วน”

รูปภาพของ Dr. Chris Chen (ซ้าย) postdoc (และอดีตนักศึกษาระดับปริญญาเอก) Christos Michas (กลาง), Dr. Alice White ในห้องทดลองของพวกเขาเมื่อวันที่ 7 มีนาคม 2022 เฉินเป็นวัยกลางคนชาวเอเชียสวมเสื้อเชิ้ตและแว่นตาแบบกระดุมสีเทา  Christos สวมถุงมือสีม่วง เสื้อกันหนาวสีเทาเข้ม กางเกงสีแดงและรอยยิ้ม  คนขาวสวมเสื้อซิบลายปาตาโกเนียสีเทา กางเกงขายาวสีดำ และแว่นตา  ด้านหลังมีชั้นวางอุปกรณ์ห้องปฏิบัติการ
ทีมงาน miniPUMP ประกอบด้วยผู้เชี่ยวชาญที่ดึงมาจากวิศวกรรมเครื่องกล ชีวการแพทย์ และวัสดุ ซึ่งรวมถึง (จากซ้าย) คริสโตเฟอร์ เฉิน ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมชีวการแพทย์ของวิลเลียม เอฟ. วอร์เรน แห่ง BU; Christos Michas (ENG’21) นักวิจัยหลังปริญญาเอก; และอลิซ ไวท์ อาจารย์ประจำวิทยาลัยวิศวกรรมศาสตร์และประธานสาขาวิศวกรรมเครื่องกล ภาพถ่ายโดย Jackie Ricciardi

นักวิจัยกล่าวว่าอุปกรณ์ดังกล่าวสามารถเร่งกระบวนการพัฒนายาได้ในที่สุด ทำให้เร็วขึ้นและราคาถูกลง แทนที่จะใช้เงินหลายล้านหรืออาจจะเป็นหลายสิบปีในการย้ายยาผ่านขั้นตอนการพัฒนาเพียงเพื่อดูว่ายานี้ตกอยู่ที่อุปสรรคสุดท้ายเมื่อทำการทดสอบในคน นักวิจัยสามารถใช้ miniPUMP ในตอนเริ่มแรกเพื่อทำนายความสำเร็จหรือความล้มเหลวได้ดียิ่งขึ้น

โครงการนี้เป็นส่วนหนึ่งของ CELL-MET ซึ่งเป็นศูนย์วิจัยทางวิศวกรรมมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติหลายสถาบันใน Cellular Metamaterials ที่นำโดย BU เป้าหมายของศูนย์คือการสร้างเนื้อเยื่อหัวใจของมนุษย์ที่เป็นโรคขึ้นใหม่ สร้างชุมชนนักวิทยาศาสตร์และผู้เชี่ยวชาญในอุตสาหกรรมเพื่อทดสอบยาใหม่ๆ และสร้างแผ่นแปะฝังเทียมสำหรับหัวใจที่เสียหายจากอาการหัวใจวายหรือโรคภัยไข้เจ็บ

“โรคหัวใจเป็นสาเหตุการเสียชีวิตอันดับหนึ่งในสหรัฐอเมริกา ที่กระทบใจพวกเราทุกคน” White ซึ่งเป็นหัวหน้านักวิทยาศาสตร์ของ Alcatel-Lucent Bell Labs ก่อนเข้าร่วม BU ในปี 2013 กล่าว “วันนี้ไม่มีทางรักษาหัวใจ จู่โจม. วิสัยทัศน์ของ CELL-MET คือการเปลี่ยนแปลงสิ่งนี้”

ยาเฉพาะบุคคล

มีหลายอย่างที่อาจผิดพลาดกับหัวใจของคุณ เมื่อมันยิงอย่างถูกต้องบนกระบอกสูบทั้งสี่ห้องด้านบนและด้านล่างสองช่องของหัวใจช่วยให้เลือดของคุณไหลเวียนเพื่อให้เลือดที่อุดมด้วยออกซิเจนไหลเวียนและหล่อเลี้ยงร่างกายของคุณ แต่เมื่อเกิดโรค หลอดเลือดแดงที่นำเลือดออกจากหัวใจอาจแคบลงหรืออุดตัน ลิ้นหัวใจรั่วหรือทำงานผิดปกติ กล้ามเนื้อหัวใจอาจบางหรือข้นขึ้น หรือสัญญาณไฟฟ้าอาจสั้น ทำให้มีจังหวะการเต้นของหัวใจมากเกินไปหรือน้อยเกินไป โรคหัวใจโดยไม่ได้รับการตรวจสอบ อาจนำไปสู่ความรู้สึกไม่สบาย เช่น หายใจไม่ออก เหนื่อยล้า บวม และเจ็บหน้าอก และสำหรับหลายๆ คนอาจถึงแก่ชีวิต

คริสโตเฟอร์ เฉิน ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมชีวการแพทย์ของวิลเลียม เอฟ. วอร์เรน ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมชีวการแพทย์กล่าวว่า “และในขณะที่เราทราบดีว่ากล้ามเนื้อหัวใจเปลี่ยนแปลงไปในทางที่แย่ลงเพื่อตอบสนองต่อแรงกระทำผิดปกติ เช่น เนื่องจากความดันโลหิตสูงหรือโรคลิ้นหัวใจ มันจึงเป็นเรื่องยากที่จะเลียนแบบและศึกษากระบวนการของโรคเหล่านี้ นี่คือเหตุผลที่เราต้องการสร้างห้องหัวใจขนาดเล็ก”

ด้วยพื้นที่เพียง 3 ตารางเซนติเมตร miniPUMP จึงไม่ใหญ่กว่าแสตมป์มากนัก สร้างขึ้นเพื่อทำหน้าที่เหมือนหัวใจห้องล่างหรือห้องล่างของกล้ามเนื้อที่มีกล้ามเนื้อ ส่วนประกอบที่ผลิตขึ้นเองนั้นถูกติดตั้งเข้ากับชิ้นส่วนบางๆ ของพลาสติกพิมพ์ 3 มิติ มีวาล์วอะครีลิกขนาดเล็ก การเปิดและปิดเพื่อควบคุมการไหลของของเหลว-น้ำ ในกรณีนี้ แทนที่จะเป็นหลอดเลือดและหลอดขนาดเล็ก ช่องทางของเหลวนั้นเหมือนกับหลอดเลือดแดงและเส้นเลือด และสลายไปในมุมหนึ่ง เซลล์กล้ามเนื้อที่ทำให้เนื้อเยื่อหัวใจหดตัว คาร์ดิโอไมโอไซต์ สร้างขึ้นโดยใช้เทคโนโลยีสเต็มเซลล์

ทางด้านซ้าย ห้องของ miniPUMP เต้นเนื่องจากการหดตัวของเนื้อเยื่อหัวใจ เมื่อเนื้อเยื่อเต้น มันจะขับของเหลวออกจากห้อง (ขวา) เช่นเดียวกับที่หัวใจของมนุษย์สูบฉีดโลหิต เครดิต: จาก Michas et al., Sci. โฆษณา 8, eabm3791 (2022). งานนี้ได้รับอนุญาตภายใต้ CC BY-NC

Christos Michas (ENG’21) นักวิจัยดุษฎีบัณฑิตผู้ออกแบบและเป็นผู้นำการพัฒนา miniPUMP ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของวิทยานิพนธ์ระดับปริญญาเอกกล่าวว่า “พวกมันถูกสร้างขึ้นโดยใช้เซลล์ต้นกำเนิด pluripotent ที่เหนี่ยวนำให้เกิด”

ในการสร้าง cardiomyocyte นักวิจัยได้นำเซลล์จากผู้ใหญ่ อาจเป็นเซลล์ผิวหนัง เซลล์เม็ดเลือด หรือเซลล์อื่นๆ ที่ทำการโปรแกรมใหม่ให้เป็นเซลล์ต้นกำเนิดคล้ายตัวอ่อน แล้วแปลงเซลล์นั้นเป็นเซลล์หัวใจ นอกเหนือจากการให้หัวใจตามตัวอักษรของอุปกรณ์แล้ว Michas กล่าวว่า cardiomyocytes ยังให้ศักยภาพมหาศาลแก่ระบบในการช่วยผู้บุกเบิกยาส่วนบุคคล นักวิจัยสามารถใส่เนื้อเยื่อที่เป็นโรคลงในอุปกรณ์ได้ ตัวอย่างเช่น จากนั้นทดสอบยาบนเนื้อเยื่อนั้นและเฝ้าดูว่าความสามารถในการสูบฉีดของมันได้รับผลกระทบอย่างไร

“ด้วยระบบนี้ ถ้าฉันเอาเซลล์จากคุณ ฉันสามารถเห็นได้ว่ายาจะมีปฏิกิริยาอย่างไรในตัวคุณ เพราะสิ่งเหล่านี้คือเซลล์ของคุณ” มิชาสกล่าว “ระบบนี้จำลองการทำงานของหัวใจได้ดีขึ้น แต่ในขณะเดียวกันก็ช่วยให้เรามีความยืดหยุ่นในการมีมนุษย์ที่แตกต่างกันไป มันเป็นแบบจำลองการคาดการณ์มากกว่าเพื่อดูว่าจะเกิดอะไรขึ้นในมนุษย์ โดยไม่ต้องเข้าไปในมนุษย์จริงๆ”

จากข้อมูลของ Michas นั้นอาจทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถประเมินโอกาสของความสำเร็จของยารักษาโรคหัวใจชนิดใหม่ได้นานก่อนที่จะเข้าสู่การทดลองทางคลินิก ผู้ติดยาจำนวนมากล้มเหลวเนื่องจากผลข้างเคียงที่ไม่พึงประสงค์

“ในตอนแรก เมื่อเรายังเล่นกับเซลล์ เราสามารถแนะนำอุปกรณ์เหล่านี้และคาดการณ์ได้แม่นยำยิ่งขึ้นว่าจะเกิดอะไรขึ้นในการทดลองทางคลินิก” มิชาสกล่าว “นอกจากนี้ยังหมายความว่ายาอาจมีผลข้างเคียงน้อยลง”

บางกว่าเส้นผมมนุษย์

ส่วนสำคัญอย่างหนึ่งของ miniPUMP คือโครงนั่งร้านอะคริลิกที่รองรับและเคลื่อนที่ไปพร้อมกับเนื้อเยื่อหัวใจขณะหดตัว ชุดของเกลียวที่มีจุดศูนย์กลางสุดยอดซึ่งบางกว่าเส้นผมมนุษย์ที่เชื่อมต่อกันด้วยวงแหวนแนวนอน โครงนั่งร้านดูเหมือนลูกสูบที่มีศิลปะ มันเป็นชิ้นส่วนสำคัญของปริศนา ทำให้เกิดโครงสร้างของเซลล์หัวใจ ซึ่งจะเป็นหยดที่ไม่มีรูปแบบหากไม่มีมัน แต่ไม่มีแรงกระทำใดๆ กับพวกมัน

Chen ผู้อำนวยการศูนย์การออกแบบทางชีวภาพของ BU และรองคณาจารย์ของ Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering ของมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดกล่าวว่า “เราไม่คิดว่าวิธีการศึกษาเนื้อเยื่อหัวใจแบบเดิมจะจับวิธีที่กล้ามเนื้อตอบสนองในร่างกายของคุณ “สิ่งนี้ทำให้เรามีโอกาสครั้งแรกในการสร้างบางสิ่งที่คล้ายคลึงกันมากขึ้นกับสิ่งที่เราคิดว่าหัวใจกำลังประสบอยู่จริง ๆ ซึ่งเป็นก้าวที่ยิ่งใหญ่”

รูปถ่ายของนั่งร้านจำลองขนาดใหญ่ที่รองรับเนื้อเยื่อหัวใจ  แบบจำลองนี้มีขนาดประมาณเมาส์คอมพิวเตอร์และดูเหมือนกระชอนพลาสติกทรงกระบอก  ปรากฏพร้อมกับแบบจำลองอื่นๆ ทั้งสองด้านในภาชนะขนาดเล็กที่จุดไฟสีฟ้า
โครงนั่งร้านจำลองขนาดใหญ่ที่รองรับเนื้อเยื่อหัวใจ ใน miniPUMP โครงนั่งร้านมีขนาดเล็ก โดยมีหลายส่วนที่วัดเป็นไมครอน ในระดับที่ดี วัสดุแข็งปกติจะมีความยืดหยุ่น ภาพถ่ายโดย Christos Michas ได้รับความอนุเคราะห์จากห้องทดลองของ Alice White

ในการพิมพ์ส่วนประกอบเล็กๆ แต่ละชิ้น ทีมงานใช้กระบวนการที่เรียกว่าการเขียนด้วยเลเซอร์โดยตรงแบบสองโฟตอน ซึ่งเป็นการพิมพ์ 3 มิติที่แม่นยำยิ่งขึ้น เมื่อแสงส่องเข้าไปในเรซินเหลว บริเวณที่แสงสัมผัสจะกลายเป็นของแข็ง เนื่องจากสามารถเล็งแสงได้อย่างแม่นยำโดยเน้นไปที่จุดเล็กๆ ส่วนประกอบจำนวนมากใน miniPUMP ถูกวัดเป็นไมครอน ซึ่งเล็กกว่าอนุภาคฝุ่น

การตัดสินใจทำให้ปั๊มมีขนาดเล็กมาก แทนที่จะเป็นขนาดเท่าของจริงหรือใหญ่กว่านั้น เป็นความตั้งใจและมีความสำคัญต่อการทำงานของปั๊ม

“องค์ประกอบโครงสร้างนั้นดีมากจนสิ่งที่ปกติแข็งจะมีความยืดหยุ่น” ไวท์กล่าว “โดยการเปรียบเทียบ ลองนึกถึงใยแก้วนำแสง: หน้าต่างกระจกนั้นแข็งมาก แต่คุณสามารถพันใยแก้วนำแสงไว้รอบนิ้วของคุณได้ อะคริลิกอาจแข็งมาก แต่ในระดับที่เกี่ยวข้องกับ miniPUMP โครงนั่งร้านอะคริลิกสามารถถูกบีบอัดด้วยคาร์ดิโอไมโอไซต์ที่เต้น”

Chen กล่าวว่ามาตราส่วนของเครื่องสูบน้ำแสดงให้เห็นว่า “ด้วยสถาปัตยกรรมการพิมพ์ที่ละเอียดกว่า คุณอาจสร้างองค์กรที่ซับซ้อนของเซลล์ได้มากกว่าที่เราเคยคิดไว้” ในขณะที่นักวิจัยพยายามสร้างเซลล์ เขากล่าวว่า ไม่ว่าเซลล์หัวใจหรือเซลล์ตับ เซลล์ทั้งหมดไม่เป็นระเบียบ – “เพื่อให้ได้โครงสร้าง คุณต้องใช้นิ้วชี้และหวังว่าเซลล์จะสร้างอะไรบางอย่าง” นั่นหมายความว่าโครงนั่งร้านเนื้อเยื่อที่บุกเบิกใน miniPUMP มีนัยสำคัญที่อาจส่งผลกระทบเกินกว่าหัวใจ ซึ่งเป็นการวางรากฐานสำหรับอวัยวะอื่นๆ บนชิป ตั้งแต่ไตไปจนถึงปอด

การกลั่นกรองเทคโนโลยี

จากข้อมูลของ White ความก้าวหน้านี้เกิดขึ้นได้เนื่องจากกลุ่มผู้เชี่ยวชาญในทีมวิจัยของ CELL-MET ซึ่งรวมถึงวิศวกรเครื่องกล ชีวการแพทย์ และวัสดุอย่างเธอ Chen และ Arvind Agarwal จาก Florida International University แต่ยังรวมถึง Jonathan G นักพันธุศาสตร์อีกด้วย ซีดแมนจาก Harvard Medical School และผู้เชี่ยวชาญด้านเวชศาสตร์โรคหัวใจและหลอดเลือด Christine E. Seidman จาก Harvard Medical School และ Brigham and Women’s Hospital เป็นประสบการณ์ที่หลากหลายซึ่งไม่เพียงแต่เป็นประโยชน์ต่อโครงการเท่านั้น แต่ยังรวมถึง Michas ด้วย นักศึกษาวิศวกรรมไฟฟ้าและคอมพิวเตอร์ในระดับปริญญาตรี เขากล่าวว่า “ไม่เคยเห็นเซลล์ในชีวิตฉันมาก่อนก่อนที่จะเริ่มโครงการนี้” ตอนนี้ เขากำลังเตรียมที่จะเริ่มต้นตำแหน่งใหม่กับ Curi Bio ซึ่งเป็นบริษัทเทคโนโลยีชีวภาพในซีแอตเทิล ซึ่งเป็นบริษัทที่ผสมผสานเทคโนโลยีสเต็มเซลล์ ระบบชีวภาพของเนื้อเยื่อ และปัญญาประดิษฐ์เพื่อขับเคลื่อนการพัฒนายาและการบำบัด

Christos Michas กำลังถ่ายภาพด้านข้างแบบเรียลไทม์ของ miniPUMP ในห้องปฏิบัติการ โครงที่สร้างโครงสร้างให้กับเซลล์หัวใจ โดยไม่ต้องออกแรงกดใดๆ สามารถมองเห็นได้ผ่านเนื้อเยื่อ ภาพถ่ายโดย Jackie Ricciardi

“คริสโตสเป็นคนที่เข้าใจชีววิทยา” ไวท์กล่าว “สามารถสร้างความแตกต่างของเซลล์และการจัดการเนื้อเยื่อ แต่ยังเข้าใจนาโนเทคโนโลยีและสิ่งที่จำเป็นในการสร้างโครงสร้างในทางวิศวกรรม”

เป้าหมายต่อไปของทีม miniPUMP? เพื่อปรับแต่งเทคโนโลยี พวกเขายังวางแผนที่จะทดสอบวิธีการผลิตอุปกรณ์โดยไม่กระทบต่อความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์

“มีแอปพลิเคชันการวิจัยมากมาย” เฉินกล่าว “นอกจากจะช่วยให้เราเข้าถึงกล้ามเนื้อหัวใจของมนุษย์เพื่อศึกษาโรคและพยาธิวิทยาแล้ว งานนี้ยังเป็นการปูทางไปสู่การสร้างแผ่นแปะหัวใจที่อาจเป็นไปได้สำหรับคนที่มีข้อบกพร่องในหัวใจปัจจุบันของพวกเขา”

นักวิจัยคนอื่น ๆ ในโครงการนี้ ได้แก่ Kamil Ekinci ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกลและวัสดุศาสตร์และวิศวกรรม BU College of Engineering, Jeroen Eyckmans ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมชีวการแพทย์ ENG M. Çağatay Karakan (ENG’22) และ Pranjal Nautiyal นักวิจัยหลังปริญญาเอกที่มหาวิทยาลัยเพนซิลเวเนียซึ่งเพิ่งสำเร็จการศึกษาระดับปริญญาเอกที่มหาวิทยาลัยนานาชาติฟลอริดา

/ประชาสัมพันธ์. เอกสารนี้จากองค์กร/ผู้เขียนต้นทางอาจมีลักษณะในช่วงเวลาหนึ่ง ซึ่งแก้ไขเพื่อความชัดเจน รูปแบบและความยาว ความคิดเห็นและความคิดเห็นที่แสดงเป็นของผู้เขียนดูแบบเต็มที่นี่

(Visited 1 times, 1 visits today)

Be the first to comment

Leave a comment

Your email address will not be published.


*