从人工心脏瓣膜到细胞移植，心血管疾病的新疗法正在每天开发。为了模拟它们的工作原理，研究人员需要一种可靠的方法来观察心脏的运作。动物研究、计算机模型和各种用死亡心脏组织制成的实验室模拟器都可以提供不同的视角，但这些方法可能很昂贵、缺乏复杂性或保质期有限。
因此，为了改进心脏研究，科学家们现在开发出一个跳动的、生物机器人复制品，它可以模拟健康器官和患病器官的运作。这个模拟器结合了猪心脏组织和软体机器人肌肉，并在最近的两项研究中进行了描述。
“想象一下实验室工作台上一个跳动的心脏，”麻省理工学院的生物医学工程师、这些研究的资深作者艾伦·罗奇说。这个模拟器泵送的是透明液体而不是血液，它连接到测量血流、血压等的仪器上。它也是可定制的：用户可以改变心率、血压和其他参数，然后通过内置摄像头实时观察这些变化如何影响心脏功能。
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该模拟器准确地复制了血液如何流过心脏——这是现有的使用死亡心脏组织的台式模拟器无法做到的。使用来自猪的活体心脏组织，并通过机器人技术驱动，这让罗奇的团队获得了更大的控制权。（猪心脏的大小和结构与人类心脏相似，常用于研究。）新的混合模拟器也可以比单独使用的活体器官持续更长时间：在实验室中连接到泵的猪心脏只能继续跳动几个小时，而罗奇的团队能够让模拟器的合成肌肉运转数月。研究人员尚未测量模拟器的确切极限。“我们需要进行可靠的耐久性疲劳测试，以准确了解这些东西可以进行多少个循环，”罗奇说。
当涉及到模拟血液流过心脏时，该器官的左右两侧各自都是一个挑战。“它们需要非常定制的模型，”罗奇说。研究人员首先着手左侧，重点是二尖瓣，它控制着左心房和左心室（心脏的上下腔室）之间的血流。他们重建了这个系统的健康运动，然后模拟了一种瓣膜泄漏的情况，称为二尖瓣反流。为了证明该模型可以用作精确的模拟，该团队让心脏外科医生用三种不同的外科干预措施纠正了瓣膜。这些结果在最近的两项研究之一中进行了描述，该研究于周三发表在Device杂志上。
“这是一个非常复杂的泵送运动，你必须创造出来，才能使血液以非常高的压力和流量泵送到你的身体，”克拉拉·帕克说，她是这两项研究的合著者，当时她是罗奇在麻省理工学院实验室的博士生。
接下来，该团队模拟了心脏右侧的力学。“右心是相对更薄、更弱的肌肉，”帕克说，“它泵送的力度没有那么大。”右心模拟器可以复制健康和异常的功能。这些结果在该团队的另一项近期研究中进行了描述，该研究于上个月发表在Nature Cardiovascular Research杂志上。
莎拉·维格莫斯塔德是爱荷华大学的生物医学工程师，她没有参与这两篇论文，她认为这些模拟器对于手术计划、培训或教育目的非常有价值。“我也能想象到它们在测试旨在治疗二尖瓣反流或其他瓣膜疾病的新干预措施方面的价值，”她说。她补充说，将心脏“调整”到复制各种疾病的能力在研究中也可能非常有用。
生物机器人方法依赖于活体动物组织，但罗奇梦想着完全3D打印的合成心脏。这样的器官可以更加可定制。它甚至可以用于创建患者特异性模型，让正在接受治疗的人们能够观察自己跳动心脏的复制品，并指导医生的决策。“我们正在转向完全合成的模型[和]多材料打印，”她说，这将需要在实验室中复制心脏组织本身。“有很多正在进行的工作。”