Ученые из Канады разработали трехмерную модель «сердце на чипе», которая может приблизить медицину к более точному и безопасному тестированию лекарств против сердечно-сосудистых заболеваний — главной причины смертности в мире. Новая платформа способна самостоятельно сокращаться, воспроизводить физиологические процессы сердечной ткани и в реальном времени фиксировать активность вплоть до уровня отдельных клеток, пишет ScienceAlert.
Главная проблема современной кардиологии заключается в том, что реакцию человеческого сердца на новые препараты или заболевания сложно изучать без риска для пациента. Инженерная модель сердца решает эту задачу: созданная ткань бьется автономно, использует кальций для запуска сокращений и предсказуемо реагирует на известные лекарства.
Ключевым достижением стала интеграция двойной сенсорной системы. В отличие от предыдущих разработок, новая модель сочетает измерение макромеханических показателей — силы сокращения всей ткани — и микромеханических процессов на уровне отдельных кардиомиоцитов, клеток сердечной мышцы. Именно нарушения в работе этих клеток лежат в основе многих сердечно-сосудистых заболеваний, включая сердечную недостаточность.
Для создания модели исследователи использовали клетки сердечной мышцы и соединительной ткани крыс. Их поместили в гелеобразную матрицу, богатую белками и питательными веществами, а затем разместили на гибких кремниевых микрочипах. Ткань фиксировалась между эластичными столбиками, которые деформируются при каждом сокращении — степень деформации отражает общую силу сокращения. Дополнительно внутрь ткани были внедрены микросенсоры на основе гидрогеля диаметром около 50 микрометров, регистрирующие локальные механические напряжения на клеточном уровне.
Исследователи протестировали систему с помощью двух препаратов. Норэпинефрин (норадреналин), применяемый в клинической практике для усиления сердечной деятельности и поддержания артериального давления, ожидаемо увеличил сократительную активность ткани. Противоположный эффект продемонстрировал блеббистатин — ингибитор мышечной активности, который снижает силу сокращений. Оба результата подтвердили, что модель способна точно прогнозировать влияние веществ на сердечный ритм и механическую функцию.
По словам первого автора исследования Али Мусави из Монреальского университета, возможность наблюдать реакцию ткани на препараты в реальном времени открывает серьезные перспективы для доклинических исследований и разработки новых лекарств. Старший автор работы, инженер Хуман Саводжи, подчеркнул, что технология приближает медицину к настоящему персонализированному подходу: в будущем врачи смогут тестировать препараты на клетках конкретного пациента до назначения лечения.
На следующем этапе команда планирует создавать модели сердечной ткани из клеток пациентов с различными патологиями, включая дилатационную кардиомиопатию — часто генетическое заболевание, приводящее к сердечной недостаточности, — а также различные формы аритмий. Это позволит моделировать конкретные заболевания «в пробирке» и подбирать наиболее эффективную терапию.
Результаты исследования опубликованы в научном журнале Nano Micro Small.