Đột phá mới trong chế tạo tim nhân tạo, phù hợp với con người

Thứ Năm, 28 Tháng Bảy 2022

Để chế tạo trái tim người, các nhà nghiên cứu phải tái tạo các cấu trúc độc đáo tạo nên trái tim. Thiết kế này bao gồm việc thiết lập những liên kết mô tim xoắn ốc, tạo chuyển động xoắn khi tim đập.

Từ lâu, các nhà khoa học đưa ra giả thuyết rằng, chuyển động xoắn có ý nghĩa rất quan trọng để bơm máu với khối lượng lớn, nhưng việc chứng minh điều đó thật khó khăn, một phần vì việc tạo ra trái tim với các hình dạng khác nhau và sự sắp xếp hợp lý là một thử thách lớn.

Các nhà kỹ thuật sinh học từ Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng Harvard John A. Paulson (SEAS) đã phát triển mô hình kết hợp sinh học đầu tiên của tâm thất người với các tế bào tim đập liên kết theo hình xoắn ốc, chỉ ra rằng sự liên kết của cơ tim thực tế làm tăng đáng kể lượng máu tâm thất có thể bơm với mỗi lần co bóp.

Hình minh họa mặt cắt trái tim người. (Ảnh © matis75 / stock.adobe.com)

Tiến bộ này đạt được bằng cách sử dụng một phương pháp sản xuất dệt phụ gia mới. Máy quay phản lực quay tập trung (FRJS), cho phép chế tạo thông lượng cao các sợi liên kết xoắn ốc với đường kính từ vài micromet đến hàng trăm nanomet.

Được phát triển tại SEAS bởi nhóm Kit Parker Disease Biophysics Group, sợi FRJS định hướng sự liên kết tế bào, cho phép hình thành các cấu trúc thiết kế mô có kiểm soát.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Science.

Parker, GS Kỹ thuật Sinh học và Vật lý Ứng dụng tại SEAS cho biết: “Công trình này là một bước tiến lớn trong quá trình chế tạo cơ quan nội tạng và cho phép đến gần hơn với mục tiêu cuối cùng là xây dựng một trái tim người để cấy ghép”.

Công trình này có nguồn gốc từ một bí ẩn hàng thế kỷ. Năm 1669, bác sĩ người Anh Richard Lower, từng coi John Locke là một trong số các đồng nghiệp và Vua Charles II trong số các bệnh nhân của ông lần đầu tiên ghi nhận sự sắp xếp giống như xoắn ốc của các cơ tim trong tác phẩm Tractatus de Corde của mình.

Trong ba thế kỷ tiếp theo, các bác sĩ và nhà khoa học đã xây dựng được sự hiểu biết toàn diện hơn về cấu trúc của tim nhưng nghiên cứu mục đích của những cơ xoắn ốc vẫn gặp nhiều khó khăn.

Năm 1969, Edward Sallin, nguyên chủ nhiệm Khoa Sinh học tại Trường Y Đại học Alabama Birmingham, lập luận rằng sự liên kết xoắn của tim là rất quan trọng để đạt được phân số tống máu lớn – tỷ lệ phần trăm lượng máu mà tâm thất bơm mỗi lần co bóp.

John Zimmerman, nghiên cứu sinh sau TS tại SEAS, đồng tác giả đầu tiên của bài báo cho biết, mục tiêu đặt ra là xây dựng một mô hình có thể kiểm tra giả thuyết của Sallin và nghiên cứu tầm quan trọng tương đối của cấu trúc xoắn ốc của tim.

Để kiểm tra lý thuyết của Sallin, các nhà nghiên cứu SEAS sử dụng hệ thống FRJS để kiểm soát sự liên kết của các sợi xoắn ốc, trên những sợi này có thể phát triển các tế bào tim.

Bước đầu tiên của FRJS hoạt động giống như một máy làm kẹo bông – một dung dịch polymer lỏng được nạp vào một bể chứa và đẩy ra ngoài qua một lỗ nhỏ bằng lực ly tâm khi thiết bị quay. Khi dung dịch rời khỏi bình chứa, dung môi bay hơi và các polymer đông đặc lại tạo thành sợi.

Sau đó, một luồng không khí tập trung kiểm soát hướng của sợi polymer khi quấn vào một bộ thu. Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng, khi tạo góc và xoay bộ thu, các sợi trong dòng sẽ sắp xếp và xoắn quanh bộ thu khi bộ thu quay, mô phỏng cấu trúc xoắn của cơ tim.

Sự sắp xếp của các sợi có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi góc của bộ thu.

Huibin Chang, nghiên cứu sinh sau TS tại SEAS, đồng tác giả bài báo cho biết: “Trái tim con người thực sự có nhiều lớp cơ xếp theo hình xoắn ốc với các góc thẳng hàng khác nhau.Với FRJS, có thể tái tạo những cấu trúc phức tạp đó một cách thực sự chính xác, tạo thành cấu trúc não thất đơn và thậm chí bốn ngăn\”.

Không giống như in 3D, tốc độ chậm hơn khi vật liệu nhỏ hơn, FRJS có thể nhanh chóng quay sợi ở quy mô micro – hoặc nhỏ hơn khoảng năm mươi lần so với một sợi tóc người.

Tâm thất nhân tạo, một bước tiến lớn cho quá trình cấu thành cơ quan sinh học. (Video Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng Harvard John A. Paulson).

Đây là điều quan trọng khi xây dựng một trái tim từ đầu. Collagen, một protein ma trận ngoại bào trong tim, cũng có đường kính là một micromet. Sẽ mất hơn 100 năm để in 3D từng phần collagen trong tim người ở độ phân giải này. FRJS có thể làm trong một ngày.

Sau khi quay, các tâm thất được gieo mầm bằng tế bào cơ tim của chuột hoặc tế bào cơ tim có nguồn gốc từ tế bào gốc của người. Trong vòng khoảng một tuần, một số lớp mô đập mỏng bao phủ giàn giáo, với các tế bào phát triển theo sự liên kết các sợi bên dưới. Tâm thất đang đập bắt chước chuyển động xoắn hoặc vặn giống như trong trái tim con người.

Các nhà nghiên cứu đã so sánh sự biến dạng của tâm thất, tốc độ truyền tín hiệu điện và phân suất tống máu giữa các tâm thất, phát triển từ những sợi liên kết xoắn ốc và những tâm thất, phát triển từ các sợi liên kết theo chu vi. Thử nghiệm cho thấy, mô liên kết theo hình xoắn ốc hoạt động tốt hơn mô liên kết theo chu vi.

Nhóm nghiên cứu cũng chứng minh được, quy trình này có thể được mở rộng đến kích thước của trái tim người thực và thậm chí lớn hơn, đạt kích thước của tim cá voi.