Pompa inspirowana akordeonem pozwala odtwarzać przepływ krwi pacjenta w modelach laboratoryjnych

Po ponad 25 latach rozwoju technologii narządów na chipie naukowcy opracowali pompę, która może z dużą dokładnością odtwarzać laboratoryjnie złożone fale przepływu krwi generowane przez ludzkie serce. Urządzenie HemaDyne, inspirowane konstrukcją miecha akordeonu, może ułatwić badanie najwcześniejszych etapów chorób naczyniowych, testowanie leków na komórkach pacjentów oraz analizę wpływu mikrograwitacji na organizm człowieka.

W artykule:

• Dlaczego dotychczasowe układy perfuzyjne nie odtwarzały wiernie pracy serca
• Jak działa pompa HemaDyne
• W jaki sposób akordeon i pojemnik na klej zainspirowały konstruktorów
• Jak dane o przepływie krwi są zamieniane na kod sterujący urządzeniem
• Znaczenie technologii dla badań chorób naczyń i rozwoju leków
• Możliwe zastosowania w badaniach kosmicznych, onkologii i gerontologii

Ograniczenie, które przez lata hamowało rozwój narządów na chipie

Od ponad 25 lat technologia lab-on-a-chip umożliwia badaczom modelowanie ludzkich narządów i naczyń krwionośnych z wykorzystaniem rzeczywistych komórek człowieka, umieszczanych w sztucznie wytworzonych środowiskach mikroskopowych. Takie układy, określane jako systemy mikrofizjologiczne, czyli microphysiological systems (MPS), mogą odtwarzać wybrane funkcje komórek, narządów, a niekiedy nawet całych układów narządowych w różnych warunkach eksperymentalnych.

Modele te stały się ważnym narzędziem w badaniach nad chorobami serca, patofizjologią naczyń, toksycznością substancji oraz skutecznością nowych leków. Ich rozwój był jednak ograniczany przez jeden zasadniczy problem: brak możliwości dokładnego odtwarzania fal przepływu krwi generowanych przez ludzkie serce.

Dr Abhishek Jain, associate professor of biomedical engineering oraz Barbara and Ralph Cox ’53 Faculty Fellow w Texas A&M University, wyjaśnia, że naukowcy od dziesięcioleci poszukiwali stabilnego systemu perfuzyjnego, który potrafiłby wiernie odwzorować dynamikę krążenia.

Przepływ krwi powstający w następstwie pracy serca składa się z wielu impulsów i nakładających się fal o różnych długościach. Zmiany te zachodzą bardzo szybko – niekiedy konieczne jest zmodyfikowanie natężenia przepływu w czasie około 50 milisekund. Dostępne dotychczas pompy laboratoryjne nie były w stanie generować tak złożonych i gwałtownie zmieniających się profili przepływu.

Fala przepływu krwi wpływa na zachowanie śródbłonka

Kształt fali przepływu krwi oraz reakcja komórek na działające siły mechaniczne mają istotne znaczenie w rozwoju wielu chorób. Gdy wzorzec przepływu zmienia się pod wpływem choroby, wieku, zaburzeń hemodynamicznych albo warunków mikrograwitacji, komórki śródbłonka wyściełające naczynia krwionośne mogą zaczynać wykazywać nieprawidłowe cechy funkcjonalne.

Przewlekła ekspozycja na patologiczne warunki przepływu może prowadzić do zmian w ekspresji genów, metabolizmie, procesach zapalnych, przepuszczalności bariery naczyniowej oraz przebudowie ściany naczynia. W dalszej perspektywie zjawiska te mogą uczestniczyć w rozwoju poważnych chorób układu sercowo-naczyniowego.

Możliwość laboratoryjnego odtworzenia rzeczywistego profilu przepływu krwi konkretnego pacjenta pozwalałaby zatem badać nie tylko zaawansowane stadia choroby, lecz także jej najwcześniejsze, potencjalnie odwracalne etapy.

HemaDyne odtwarza przepływ zarejestrowany u pacjenta

Dr Jain oraz dr Ankit Kumar, który uzyskał stopień doktora w dziedzinie biomedical engineering w Texas A&M University, opracowali urządzenie nazwane HemaDyne. Jest to pompa przeznaczona do odtwarzania złożonych profili przepływu krwi w różnych częściach organizmu i w rozmaitych warunkach fizjologicznych lub patologicznych.

Opis technologii opublikowano w czasopiśmie Nature Communications.

System umożliwia wykorzystanie fali przepływu krwi zarejestrowanej klinicznie u pacjenta, na przykład w określonym naczyniu, a następnie jej odtworzenie w warunkach laboratoryjnych. Badacze mogą dzięki temu obserwować, jak komórki śródbłonka zachowują się pod wpływem konkretnego profilu hemodynamicznego.

Takie podejście może umożliwić analizę bardzo wczesnych etapów chorób naczyniowych, zanim pojawią się zaawansowane zmiany strukturalne lub kliniczne powikłania. Może także ułatwić poszukiwanie terapii ukierunkowanych na mechanizmy inicjujące chorobę.

Komórki pacjenta mogą służyć do testowania leków

Autorzy technologii wskazują, że w układach mikrofizjologicznych można wykorzystywać komórki pozyskane od konkretnych pacjentów. Po umieszczeniu ich w chipie i poddaniu działaniu odtworzonego profilu przepływu krwi możliwe byłoby badanie odpowiedzi komórkowej na różne leki.

W przyszłości takie modele mogłyby wspierać personalizację terapii. Zamiast oceniać jedynie przeciętną odpowiedź populacji, naukowcy mogliby analizować, jak komórki określonego pacjenta reagują na zmienione warunki przepływu oraz poszczególne substancje lecznicze.

Według badaczy mogłoby to pomóc w identyfikowaniu terapii zdolnych do zahamowania zaburzeń związanych z przepływem krwi, zanim doprowadzą one do ciężkich i trwale zmieniających życie chorób.

Pomysł pojawił się dzięki muzykowi grającemu na akordeonie

Inspiracją do opracowania urządzenia był student grający na akordeonie na kampusie Texas A&M University w College Station. Zarówno Jain, jak i Kumar dorastali, regularnie obserwując instrumenty miechowe, w tym fisharmonie często wykorzystywane w muzyce indyjskiej i produkcjach bollywoodzkich.

Dopiero jednak widok nieznanego studenta grającego przed budynkiem wydziału inżynierii zwrócił ich uwagę na fizykę instrumentu. Kluczowym elementem okazał się miech znajdujący się w środkowej części akordeonu, który może się naprzemiennie rozszerzać i kurczyć.

Taka geometria umożliwia wytwarzanie ciśnienia powietrza bez konieczności stosowania dużej siły. Pozwala również na bardzo szybkie generowanie zmiennych fal ciśnienia, odpowiadających dynamice dźwięku wytwarzanego przez instrument.

Istnieją pompy wykorzystujące przepływ powietrza pod ciśnieniem, jednak – jak podkreślają konstruktorzy – dotychczas nie wykorzystywano w nich w pełni geometrii miecha, która pozwala muzykowi szybko generować złożone fale. Naukowcy postawili więc pytanie, czy tę samą zasadę można zastosować do wytwarzania przepływu cieczy.

Od pojemnika na klej do zaawansowanej pompy laboratoryjnej

Kumar i Jain rozpoczęli badania nad możliwością wykorzystania harmonijkowych zagięć w systemach laboratoryjnych. Profesjonalne akordeony są kosztowne, jednak podobną geometrię można znaleźć w prostych, plastikowych pojemnikach na klej o składanej, miechowej konstrukcji.

Takie pojemniki kosztują mniej niż dolara, a ich ścianki rozszerzają się i zapadają zgodnie z zasadami mechanicznymi, których poszukiwali badacze. Naukowcy zaczęli więc przekształcać prosty dozownik kleju w urządzenie zdolne do generowania kontrolowanych fal ciśnienia, przypominających pod względem zmienności zarówno frazy muzyczne, jak i pulsacyjny przepływ krwi.

Kluczową rolę w sterowaniu systemem odegrały drukarki 3D i rozwijane wokół nich oprogramowanie open source.

Dane kliniczne są przekształcane w G-code

Kumar wykorzystał oprogramowanie układowe stosowane w drukarkach 3D oraz język G-code, który służy do sterowania ruchem elementów maszyn, pozycjonowaniem i sekwencją wykonywanych operacji.

Zmierzony u pacjenta profil przepływu krwi może zostać przekształcony w instrukcje zapisane w G-code. Kod steruje następnie pracą pompy, pozwalając odtworzyć w laboratorium zarejestrowaną wcześniej falę hemodynamiczną.

Dzięki temu system nie ogranicza się do generowania prostego, jednostajnego lub sinusoidalnego przepływu. Może potencjalnie odwzorowywać znacznie bardziej złożone zmiany charakterystyczne dla określonych naczyń, stanów chorobowych lub indywidualnych cech pacjenta.

Zastosowanie w badaniach przewlekłych chorób

Badanie przyczyn chorób naczyniowych jest tylko jednym z możliwych zastosowań HemaDyne. Urządzenie może wspierać modelowanie różnych stanów chorobowych, o ile możliwe jest zmierzenie związanych z nimi warunków przepływu i odtworzenie ich w systemie wykorzystującym ludzkie komórki.

Systemy mikrofizjologiczne połączone z pompą mogą działać przez wiele miesięcy, co ma znaczenie w badaniach chorób przewlekłych. Długotrwałe eksperymenty pozwalają analizować powolne zmiany komórkowe i tkankowe, których nie można uchwycić podczas krótkich testów laboratoryjnych.

W przyszłości takie platformy mogłyby być wykorzystywane do badania procesów starzenia, chorób układu krążenia, nowotworów, działania leków oraz zmian pojawiających się pod wpływem długotrwałej ekspozycji na nietypowe warunki środowiskowe.

Możliwe znaczenie dla rozwoju leków

Autorzy przewidują, że w ciągu kilku lat systemy MPS połączone z technologią HemaDyne mogą stać się bardziej powtarzalne, stabilne i wystandaryzowane. Byłoby to szczególnie istotne w przedklinicznej ocenie leków.

Jednym z głównych problemów współczesnego rozwoju farmaceutyków jest to, że wyniki uzyskiwane w prostych hodowlach komórkowych lub modelach zwierzęcych nie zawsze przekładają się na skuteczność i bezpieczeństwo u ludzi. Bardziej fizjologiczne modele ludzkich tkanek mogą zwiększać prawdopodobieństwo właściwej oceny kandydata na lek przed rozpoczęciem badań klinicznych.

Nie oznacza to, że systemy narządów na chipie zastąpią badania kliniczne. Mogą jednak pomóc w lepszej selekcji substancji, ograniczeniu liczby nieskutecznych projektów i dokładniejszym przewidywaniu reakcji tkanek człowieka.

Technologia może trafić w przestrzeń kosmiczną

Badania przeprowadzono przy wsparciu NASA, która postrzega tę technologię jako potencjalnie ważny element przygotowań do bezpiecznych, długotrwałych lotów załogowych, w tym przyszłych misji na Marsa.

Systemy MPS połączone z pompą mogą zostać wysłane w przestrzeń kosmiczną, działać podczas misji, a następnie wrócić na Ziemię do dalszej analizy. Pozwoliłoby to badać wpływ mikrograwitacji, promieniowania kosmicznego i innych czynników na ludzkie komórki oraz funkcjonowanie naczyń krwionośnych.

Zmiany hemodynamiczne obserwowane podczas pobytu w przestrzeni kosmicznej mogą oddziaływać na układ sercowo-naczyniowy, mięśnie, kości, metabolizm i procesy starzenia. Dokładniejsze modele laboratoryjne mogą pomóc w opracowywaniu metod ochrony zdrowia astronautów podczas wielomiesięcznych lub wieloletnich misji.

Inżynieria aparatury wspiera odkrycia biologiczne

Jain podkreślił, że projekt stanowi przykład tego, jak inżynieria aparatury może umożliwiać rozwój biologii i medycyny. Nowe urządzenie nie jest jedynie pompą, lecz platformą, która może rozszerzyć możliwości eksperymentów prowadzonych z wykorzystaniem ludzkich komórek.

Według badaczy technologia może przyczynić się do lepszego poznania chorób człowieka, procesów starzenia, biologii nowotworów oraz zmian zachodzących w organizmie astronautów w czasie pobytu w przestrzeni kosmicznej i po powrocie na Ziemię.

Urządzenie jest obecnie przedmiotem procedury patentowej prowadzonej przy wsparciu Texas A&M Innovation.

Znaczenie badania

HemaDyne odpowiada na jedno z istotnych ograniczeń systemów mikrofizjologicznych: trudność w wiernym odwzorowaniu szybko zmieniających się, złożonych fal przepływu krwi. Możliwość wykorzystania danych zarejestrowanych u konkretnego pacjenta może zwiększyć biologiczną wiarygodność modeli laboratoryjnych.

Technologia pozostaje jednak narzędziem badawczym. Jej przydatność w personalizowaniu terapii, przewidywaniu skuteczności leków lub poprawie wyników badań klinicznych będzie wymagała dalszej walidacji, standaryzacji i porównania z rzeczywistymi wynikami leczenia pacjentów.

Źródło: Nature Communications, „Hemadyne: accordion-inspired perfusion for microphysiological systems”.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-73722-9