Al MIT progettato un “cuore” bionico per testare valvole protesiche, altri dispositivi cardiaci

Gli ingegneri del Massachussettes Institute of Technology hanno sviluppato un “cuore” bionico che offre un modello più realistico per testare valvole artificiali e altri dispositivi cardiaci.

Il dispositivo è un vero cuore biologico il cui duro tessuto muscolare è stato sostituito da una morbida matrice robotica di muscoli cardiaci artificiali, simile ad un involucro di bolle. L’orientamento dei muscoli artificiali imita il modello delle fibre muscolari naturali del cuore, in modo tale che quando i ricercatori gonfiano a distanza le bolle, agiscono insieme per spremere e torcere il cuore interno, in modo simile al modo in cui un vero cuore intero batte e pompa il sangue.

Con questo nuovo design, che chiamano “cuore ibrido biorobotico”, i ricercatori prevedono che i progettisti e gli ingegneri di dispositivi possano iterare e perfezionare i progetti più rapidamente testando il cuore bioibrido, riducendo significativamente il costo dello sviluppo del dispositivo cardiaco.

“I test normativi sui dispositivi cardiaci richiedono numerosi test di fatica e test sugli animali”, afferma Ellen Roche, assistente professore di ingegneria meccanica presso il MIT. “Il nuovo dispositivo potrebbe rappresentare realisticamente ciò che accade in un vero cuore, per ridurre la quantità di test sugli animali o iterare il design più rapidamente.”

Roche e i suoi colleghi hanno pubblicato i loro risultati oggi sulla rivista Science Robotics. I suoi co-autori sono la principale autrice e studentessa laureata del MIT Clara Park, insieme a Yiling Fan, Gregor Hager, Hyunwoo Yuk, Manisha Singh, Allison Rojas e Xuanhe Zhao al MIT, insieme ai collaboratori della Nanyang Technology University, il Royal College of Surgeons a Dublino, l’ospedale pediatrico di Boston, la Harvard Medical School e il Massachusetts General Hospital.
Prima di venire al MIT, Roche ha lavorato brevemente nel settore biomedico, aiutando a testare i dispositivi cardiaci su modelli di cuore artificiale in laboratorio.
“All’epoca non pensavo che nessuna di queste configurazioni da banco fosse rappresentativa sia dell’anatomia che della biomeccanica fisiologica del cuore”, ricorda Roche. “C’era un’esigenza insoddisfatta in termini di test dei dispositivi.”
In una ricerca separata nell’ambito del suo lavoro di dottorato presso l’Università di Harvard, ha sviluppato una manica morbida, robotica, impiantabile, progettata per avvolgere un cuore intero e vivo, per aiutarlo a pompare il sangue nei pazienti con insufficienza cardiaca.
Al MIT, lei e Park si sono chiesti se potessero combinare le due strade di ricerca per sviluppare un cuore ibrido: un cuore che è fatto in parte di tessuto cardiaco espiantato chimicamente conservato e in parte di attuatori artificiali morbidi che aiutano il cuore a pompare il sangue. Un tale modello, hanno proposto, dovrebbe essere un ambiente più realistico e duraturo in cui testare i dispositivi cardiaci, rispetto ai modelli che sono o completamente artificiali ma non catturano l’anatomia complessa del cuore, o sono fatti da un vero cuore espiantato, che richiede altamente condizioni controllate per mantenere vivo il tessuto.
Il team ha brevemente considerato di avvolgere un intero cuore espiantato in una morbida manica robotica, simile al lavoro precedente di Roche, ma ha realizzato che il tessuto muscolare esterno del cuore, il miocardio, si irrigidiva rapidamente quando rimosso dal corpo. Qualsiasi contrazione robotica per la manica non riuscirebbe a tradursi sufficientemente nel cuore all’interno.
Invece, il team ha cercato modi per progettare una matrice robotica morbida per sostituire il tessuto muscolare naturale del cuore, sia nel materiale che nella funzione. Hanno deciso di provare prima la loro idea sul ventricolo sinistro del cuore, una delle quattro camere del cuore, che pompa il sangue al resto del corpo, mentre il ventricolo destro usa meno forza per pompare il sangue ai polmoni.
“Il ventricolo sinistro è il più difficile da ricreare date le sue maggiori pressioni operative e ci piace iniziare con le sfide difficili”, afferma Roche.

Normalmente il cuore pompa il sangue schiacciando e torcendo, una complessa combinazione di movimenti che è il risultato dell’allineamento delle fibre muscolari lungo il miocardio esterno che copre ciascuno dei ventricoli del cuore. Il team ha pianificato di fabbricare una matrice di muscoli artificiali che assomiglino a bolle gonfiabili, allineati negli orientamenti del muscolo cardiaco naturale. Ma copiare questi schemi studiando la geometria tridimensionale di un ventricolo si è rivelato estremamente impegnativo.

Alla fine si sono imbattuti nella teoria della banda miocardica ventricolare elicoidale, l’idea che il muscolo cardiaco sia essenzialmente una grande banda elicoidale che avvolge ciascuno dei ventricoli del cuore. Questa teoria è ancora oggetto di dibattito da parte di alcuni ricercatori, ma Roche e i suoi colleghi l’hanno presa come ispirazione per il loro design. Invece di provare a copiare l’orientamento della fibra muscolare del ventricolo sinistro da una prospettiva 3D, il team ha deciso di rimuovere il tessuto muscolare esterno del ventricolo e di scartarlo per formare una banda lunga e piatta, una geometria che dovrebbe essere molto più facile da ricreare. In questo caso, hanno usato il tessuto cardiaco di un cuore di maiale espiantato.

In collaborazione con l’autore co-protagonista Chris Nguyen della MGH, i ricercatori hanno utilizzato l’imaging del tensore della diffusione, una tecnica avanzata che traccia in genere il modo in cui l’acqua scorre attraverso la sostanza bianca nel cervello, per mappare gli microscopici orientamenti delle fibre del ventricolo sinistro, non spiegati, bidimensionali fascia muscolare. Hanno quindi fabbricato una matrice di fibre muscolari artificiali costituite da sottili tubi d’aria, ciascuna collegata a una serie di sacche gonfiabili, o bolle, il cui orientamento hanno modellato sulle fibre muscolari immaginarie.

La matrice morbida è composta da due strati di silicone, con uno strato solubile in acqua tra loro per impedire che gli strati si attacchino, nonché due strati di carta tagliata al laser, che assicura che le bolle si gonfino in un orientamento specifico.

I ricercatori hanno anche sviluppato un nuovo tipo di bioadesivo per incollare il cerotto sul tessuto intracardiaco reale del ventricolo. Mentre esistono adesivi per incollare i tessuti biologici tra loro e per materiali come il silicone tra loro, il team ha realizzato che pochi adesivi morbidi fanno un lavoro adeguato di incollare tessuti biologici con materiali sintetici, in particolare il silicone.

Così Roche ha collaborato con Zhao, professore associato di ingegneria meccanica presso il MIT, specializzato nello sviluppo di adesivi a base di idrogel. Il nuovo adesivo, chiamato TissueSil, è stato realizzato funzionalizzando il silicone in un processo di reticolazione chimica, per legare con i componenti del tessuto cardiaco. Il risultato è stato un liquido viscoso che i ricercatori hanno applicato sulla morbida matrice robotica. Hanno anche spazzolato la colla su un nuovo cuore di maiale espiantato a cui è stato rimosso il ventricolo sinistro ma le sue strutture endocardiche sono state preservate. Quando hanno avvolto la matrice muscolare artificiale attorno a questo tessuto, i due si sono uniti strettamente.

Infine, i ricercatori hanno collocato l’intero cuore ibrido in uno stampo che avevano precedentemente fuso dell’originale cuore intero e hanno riempito lo stampo di silicone per racchiudere il cuore ibrido in una copertura uniforme – un passaggio che ha prodotto una forma simile a una vera cuore e ha assicurato che l’avvolgimento di bolle robotizzato si adattasse perfettamente al ventricolo reale.

“In questo modo, non si perde la trasmissione del movimento dal muscolo sintetico al tessuto biologico”, afferma Roche.

Quando i ricercatori hanno pompato aria nell’involucro di bolle a frequenze simili a un cuore che batte naturalmente e hanno immaginato la risposta del cuore bionico, si è contratta in un modo simile al modo in cui un vero cuore si muove per pompare il sangue attraverso il corpo.

In definitiva, i ricercatori sperano di utilizzare il cuore bionico come un ambiente realistico per aiutare i progettisti a testare dispositivi cardiaci come le valvole cardiache protesiche.

“Immagina che un paziente prima dell’impianto del dispositivo cardiaco possa farsi scansionare il cuore, e quindi i medici potrebbero mettere a punto il dispositivo per eseguire in modo ottimale il paziente molto prima dell’intervento”, afferma Nyugen. “Inoltre, con un’ulteriore ingegneria dei tessuti, potremmo potenzialmente vedere il cuore ibrido biorobotico essere usato come un cuore artificiale – una soluzione potenziale molto necessaria data l’epidemia globale di insufficienza cardiaca in cui milioni di persone sono in balia di un elenco competitivo di trapianti di cuore.”