Robotreplica van rechterkamer van het hart

Het realistische model zou de ontwikkeling van betere hartimplantaten kunnen helpen en licht kunnen werpen op onderbelichte hartaandoeningen.

Ingenieurs aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge hebben een robotreplica van de rechterkamer van het hart ontwikkeld, die de kloppende en bloedpompende werking van levende harten nabootst. Het robo-ventrikel combineert echt hartweefsel met synthetische, ballonachtige kunstmatige spieren. Hiermee kunnen wetenschappers de samentrekkingen van het ventrikel controleren terwijl ze observeren hoe de natuurlijke kleppen en andere ingewikkelde structuren functioneren.

Doelstelling

Het kunstmatige ventrikel kan worden afgestemd om gezonde en zieke toestanden na te bootsen. Het team manipuleerde het model om aandoeningen van rechterventrikeldisfunctie te simuleren. Ze ingenieurs gebruikten het model ook om hartapparatuur te testen. Het team implanteerde bijvoorbeeld een mechanische klep om een natuurlijk defecte klep te repareren en observeerde vervolgens hoe het pompen van het ventrikel als reactie daarop veranderde.

Ze zeggen dat de nieuwe robotachtige rechterventrikel (RRV) kan worden gebruikt als een realistisch platform om rechterventrikelaandoeningen te bestuderen. Ook kan het worden gebruikt om apparaten en therapieën te testen die gericht zijn op de behandeling van die aandoeningen.

Het rechterventrikel is bijzonder gevoelig voor disfunctie op de intensive care, vooral bij patiënten die mechanische beademing krijgen. De RRV-simulator kan in de toekomst worden gebruikt om de effecten van mechanische ventilatie op de rechterventrikel te bestuderen en strategieën te ontwikkelen om rechterhartfalen bij deze kwetsbare patiënten te voorkomen.

Functioneel model

De rechterkamer is een van de vier kamers van het hartVan de vier kamers is de linkerventrikel de krachtpatser. Het dikke, kegelvormige spierstelsel is gebouwd om bloed door het hele lichaam te pompen. De rechterventrikel kan slechts een lichtere maar niet minder cruciale belasting aan. De rechterventrikel pompt zuurstofarm bloed naar de longen, zodat het niet zo hard hoeft te pompen. Het is een dunnere spier, met een complexere architectuur en beweging.

Deze anatomische complexiteit heeft het voor artsen moeilijk gemaakt om de rechterventrikelfunctie bij patiënten met een hartaandoening nauwkeurig te observeren en te beoordelen. Conventionele instrumenten slagen er vaak niet in om de ingewikkelde mechanica en dynamiek van de rechterventrikel vast te leggen.  Dit kan leiden tot mogelijke verkeerde diagnoses en inadequate behandelingsstrategieën.

Het team aan MIT wil het begrip van de minder bekende kamer verbeteren en de ontwikkeling van hartapparatuur om de disfunctie ervan te behandelen versnellen. Hiertoe ontwierp het een realistisch, functioneel model van de rechterventrikel dat zowel de anatomische complexiteit ervan vastlegt als de pompfunctie ervan reproduceert. Het model bevat echt hartweefsel, dat het team heeft gekozen omdat het natuurlijke structuren behoudt die te complex zijn om synthetisch te reproduceren. Er zijn dunne, kleine akkoorden en klepblaadjes met verschillende materiaaleigenschappen die allemaal samen met de spier van het ventrikel bewegen. Het is een behoorlijke uitdaging om deze delicate structuren te gieten of te printen.

Houdbaarheid

In de nieuwe studie is de behandelde rechter hartkamer van een varken geëxplanteerd, dit om de interne structuren zorgvuldig te behouden. Vervolgens plaatsten ze er een siliconenwikkel omheen, die fungeerde als een zachte, synthetische myocardium- of spiervoering. Binnen deze bekleding heeft het team verschillende lange, ballonachtige buizen ingebed, die het echte hartweefsel omcirkelden. Dat gebeurde op posities waarvan het team door middel van computermodellering had vastgesteld dat ze optimaal waren voor het reproduceren van de contracties van het ventrikel.

De onderzoekers sloten elke buis aan op een controlesysteem, dat ze vervolgens instelden om elke buis op te blazen en leeg te laten lopen met een snelheid die het echte ritme en de beweging van het hart nabootste. Om het pompvermogen te testen, heeft het team het model voorzien van een vloeistof die qua viscositeit vergelijkbaar is met bloed. Deze specifieke vloeistof was ook transparant, waardoor de ingenieurs met een interne camera konden observeren hoe interne kleppen en structuren reageerden toen het ventrikel vloeistof erdoorheen pompte.

Ze ontdekten dat de pompkracht van het kunstmatige ventrikel en de functie van de interne structuren vergelijkbaar waren met wat ze eerder bij levende, gezonde dieren observeerden. Dit toont aan dat het model op realistische wijze de werking en anatomie van het rechterventrikel kan simuleren. De onderzoekers konden ook de frequentie en het vermogen van de pompbuizen afstemmen om verschillende hartaandoeningen na te bootsen, zoals onregelmatige hartslag, spierverzwakking en hoge bloeddruk.

Tricuspidalisklep

Om aan te tonen dat het kunstmatige ventrikel kan worden gebruikt om hartapparaten te testen, heeft het team ringvormige medische apparaten van verschillende groottes chirurgisch geïmplanteerd om de tricuspidalisklep van de kamer te repareren. Dit is een groene eenrichtingsklep die bloed in de rechterventrikel laat. Wanneer deze klep lekt of fysiek beschadigd is, kan dit hartfalen of atriale fibrillatie veroorzaken. Ook kan lekken leiden tot symptomen, zoals verminderde inspanningscapaciteit, zwelling van de benen en buik, en leververgroting.

De onderzoekers manipuleerden de klep van het roboventrikel operatief om deze toestand te simuleren. Ze vervingen deze vervolgens door een mechanische klep te implanteren of repareerden deze met behulp van ringachtige apparaten van verschillende groottes. Ze observeerden welk apparaat de vloeistofstroom van het ventrikel verbeterde terwijl het bleef pompen.

Met het vermogen om disfunctie van de tricuspidalisklep nauwkeurig te repliceren, dient de RRV als oefenterrein voor chirurgen en interventionele cardiologen. Ze kunnen nieuwe chirurgische technieken oefenen voor het repareren of vervangen van de tricuspidalisklep op ons model voordat ze deze bij echte patiënten uitvoeren.

Vervolg

Momenteel kan de RRV een realistische functie gedurende een paar maanden simuleren. Het team werkt eraan om die prestaties uit te breiden en ervoor te zorgen dat het model langere tijd continu kan draaien. Ze werken samen met ontwerpers van implanteerbare apparaten om hun prototypes op het kunstmatige ventrikel te testen en mogelijk hun weg naar patiënten te versnellen. Op lange termijn willen de onderzoekers de RRV koppelen aan een soortgelijk kunstmatig, functioneel model van de linker hartkamer, dat de groep momenteel aan het verfijnen is.

Ze stellen zich voor om dit te koppelen aan de linker hartkamer om een volledig afstembaar, kunstmatig hart te maken, dat mogelijk bij mensen zou kunnen functioneren. Ze geven aan dat ze nog een tijdje onderweg zijn, maar dat is de overkoepelende visie.

Foto: MIT