(AGENPARL) - Roma, 13 Dicembre 2023[lid] Il modello realistico potrebbe aiutare lo sviluppo di impianti cardiaci migliori e far luce sui disturbi cardiaci poco studiati.
Gli ingegneri del MIT hanno sviluppato una replica robotica del ventricolo destro del cuore, che imita il battito e l’azione di pompaggio del sangue dei cuori vivi.
Il robot-ventricolo combina il vero tessuto cardiaco con muscoli artificiali sintetici, simili a palloncini, che consentono agli scienziati di controllare le contrazioni del ventricolo mentre osservano come funzionano le sue valvole naturali e altre strutture complesse.
Il ventricolo artificiale può essere sintonizzato per imitare stati sani e malati. Il team ha manipolato il modello per simulare condizioni di disfunzione ventricolare destra, tra cui ipertensione polmonare e infarto miocardico. Hanno utilizzato il modello anche per testare dispositivi cardiaci. Ad esempio, il team ha impiantato una valvola meccanica per riparare una valvola naturale malfunzionante, quindi ha osservato come il pompaggio del ventricolo cambiava in risposta.
Dicono che il nuovo ventricolo destro robotico, o RRV, può essere utilizzato come piattaforma realistica per studiare i disturbi del ventricolo destro e testare dispositivi e terapie volti a trattare tali disturbi.
“Il ventricolo destro è particolarmente suscettibile alle disfunzioni nelle unità di terapia intensiva, soprattutto nei pazienti sottoposti a ventilazione meccanica”, afferma Manisha Singh, postdoc presso l’Institute for Medical Engineering and Science (IMES) del MIT. “Il simulatore RRV potrà essere utilizzato in futuro per studiare gli effetti della ventilazione meccanica sul ventricolo destro e per sviluppare strategie per prevenire l’insufficienza cardiaca destra in questi pazienti vulnerabili”.
Singh e i suoi colleghi riportano i dettagli del nuovo design in un documento ad accesso libero apparso oggi su Nature Cardiovascolare Research . I suoi coautori includono la professoressa associata Ellen Roche, che è un membro principale dell’IMES e responsabile associato della ricerca presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica del MIT; insieme a Jean Bonnemain, Caglar Ozturk, Clara Park, Diego Quevedo-Moreno, Meagan Rowlett e Yiling Fan del MIT; Brian Ayers del Massachusetts General Hospital; Christopher Nguyen della Cleveland Clinic; e Mossab Saeed del Boston Children’s Hospital.
Un balletto di ritmi
Il ventricolo destro è una delle quattro camere del cuore, insieme al ventricolo sinistro e agli atri sinistro e destro. Delle quattro camere, il ventricolo sinistro è quello che solleva pesi, poiché la sua spessa muscolatura a forma di cono è costruita per pompare il sangue attraverso l’intero corpo. Il ventricolo destro, dice Roche, in confronto è una “ballerina”, poiché gestisce un carico più leggero ma non per questo meno cruciale.
“Il ventricolo destro pompa il sangue deossigenato ai polmoni, quindi non deve pompare con tanta forza”, osserva Roche. “È un muscolo più sottile, con un’architettura e un movimento più complessi.”
Questa complessità anatomica ha reso difficile per i medici osservare e valutare accuratamente la funzione del ventricolo destro nei pazienti con malattie cardiache.
“Gli strumenti convenzionali spesso non riescono a catturare la complessa meccanica e la dinamica del ventricolo destro, portando a potenziali diagnosi errate e strategie di trattamento inadeguate”, afferma Singh.
Per migliorare la comprensione della camera meno conosciuta e accelerare lo sviluppo di dispositivi cardiaci per trattare la sua disfunzione, il team ha progettato un modello realistico e funzionale del ventricolo destro che ne cattura le complessità anatomiche e ne riproduce la funzione di pompaggio.
Il modello include tessuto cardiaco reale, che il team ha scelto di incorporare perché conserva strutture naturali troppo complesse per essere riprodotte sinteticamente.
“Ci sono corde e lembi valvolari sottili e minuscoli con diverse proprietà materiali che si muovono tutti di concerto con il muscolo del ventricolo. Cercare di fondere o stampare queste strutture molto delicate è piuttosto impegnativo”, spiega Roche.
La durata di un cuore
Nel nuovo studio, il team riferisce di aver espiantato il ventricolo destro di un maiale, che è stato trattato per preservarne attentamente le strutture interne. Quindi si adattano ad un avvolgimento di silicone attorno ad esso, che funge da miocardio sintetico morbido o rivestimento muscolare. All’interno di questo rivestimento, il team ha incorporato diversi tubi lunghi, simili a palloncini, che circondavano il vero tessuto cardiaco, in posizioni che il team ha determinato attraverso la modellazione computazionale come ottimali per riprodurre le contrazioni del ventricolo. I ricercatori hanno collegato ciascun tubo a un sistema di controllo, che hanno poi impostato per gonfiare e sgonfiare ciascun tubo a velocità che imitavano il ritmo e il movimento reali del cuore.
Per testare la sua capacità di pompaggio, il team ha infuso nel modello un liquido con una viscosità simile al sangue. Questo particolare liquido era anche trasparente, consentendo agli ingegneri di osservare con una telecamera interna come le valvole e le strutture interne rispondevano mentre il ventricolo pompava il liquido.
Hanno scoperto che la potenza di pompaggio del ventricolo artificiale e la funzione delle sue strutture interne erano simili a quanto osservato in precedenza in animali vivi e sani, dimostrando che il modello può simulare realisticamente l’azione e l’anatomia del ventricolo destro. I ricercatori hanno anche potuto regolare la frequenza e la potenza dei tubi di pompaggio per imitare varie condizioni cardiache, come battito cardiaco irregolare, indebolimento muscolare e ipertensione.
“Stiamo rianimando il cuore, in un certo senso, e in un modo tale da poter studiare e potenzialmente trattare la sua disfunzione”, afferma Roche.
Per dimostrare che il ventricolo artificiale può essere utilizzato per testare dispositivi cardiaci, il team ha impiantato chirurgicamente dispositivi medici ad anello di varie dimensioni per riparare la valvola tricuspide della camera, una valvola a foglia unidirezionale che consente al sangue di entrare nel ventricolo destro. Quando questa valvola perde o è fisicamente compromessa, può causare insufficienza cardiaca destra o fibrillazione atriale e portare a sintomi quali ridotta capacità di esercizio, gonfiore delle gambe e dell’addome e ingrossamento del fegato.
I ricercatori hanno manipolato chirurgicamente la valvola del robot-ventricolo per simulare questa condizione, quindi l’hanno sostituita impiantando una valvola meccanica o l’hanno riparata utilizzando dispositivi ad anello di diverse dimensioni. Hanno osservato quale dispositivo migliorava il flusso del fluido del ventricolo mentre continuava a pompare.
“Con la sua capacità di replicare accuratamente la disfunzione della valvola tricuspide, l’RRV funge da campo di formazione ideale per chirurghi e cardiologi interventisti”, afferma Singh. “Possono esercitarsi in nuove tecniche chirurgiche per riparare o sostituire la valvola tricuspide sul nostro modello prima di eseguirle su pazienti reali”.
Attualmente, l’RRV può simulare una funzione realistica nell’arco di pochi mesi. Il team sta lavorando per estendere tali prestazioni e consentire al modello di funzionare continuamente per tratti più lunghi. Stanno anche lavorando con progettisti di dispositivi impiantabili per testare i loro prototipi sul ventricolo artificiale e possibilmente accelerare il loro percorso verso i pazienti. E guardando lontano nel futuro, Roche prevede di accoppiare l’RRV con un modello artificiale e funzionale simile del ventricolo sinistro, che il gruppo sta attualmente mettendo a punto.
“Immaginiamo di accoppiarlo con il ventricolo sinistro per creare un cuore artificiale completamente sintonizzabile, che potrebbe potenzialmente funzionare nelle persone”, afferma Roche. “Abbiamo ancora un po’ di tempo, ma questa è la visione generale.”
Questa ricerca è stata sostenuta, in parte, dalla National Science Foundation.
Un nuovo modello biorobotico sviluppato dagli ingegneri del MIT simula la funzione del ventricolo destro meno conosciuto del cuore (illustrato qui in sezione trasversale, visto da una vista frontale, a sinistra). Morbidi “muscoli” simili a palloncini (in blu) avvolgono e contraggono il ventricolo, imitando la sua reale azione di pompaggio. Il modello potrebbe aiutare a testare nuovi impianti e dispositivi per trattare una serie di disturbi cardiaci.
Crediti:Credito: per gentile concessione dei ricercatori
