U revolucionarnoj novoj studiji, istraživači sa Univerziteta u Minesoti su 3D odštampali funkcionalnu pumpu za srce u centimetru u laboratoriji. Ovo otkriće moglo bi imati velike implikacije za proučavanje srčanih bolesti, vodećeg uzroka smrti u Sjedinjenim Državama, ubijajući više od 600.000 ljudi godišnje.
Studija je objavljena i pojavljuje se na naslovnici Circulation Research, publikacije Američkog udruženja za srce.
U prošlosti, istraživači su pokušali 3D štampati kardiomiocite, ili ćelije srčanog mišića, koje su izvedene iz onoga što se naziva pluripotentnim ljudskim matičnim ćelijama. Pluripotentne matične ćelije su ćelije sa potencijalom da se razviju u bilo koju vrstu ćelije u telu. Istraživači bi reprogramirali ove matične ćelije u ćelije srčanog mišića, a zatim bi koristili specijalizovane 3D štampače da ih štampaju unutar trodimenzionalne strukture, nazvane ekstracelularni matriks. Problem je bio u tome što naučnici nikada nisu mogli da dostignu kritičnu gustinu ćelija da bi ćelije srčanog mišića zaista funkcionisale.
U ovoj novoj studiji, istraživači sa Univerziteta Minnesota preokrenuli su proces i on je uspio.
"U početku smo pokušali 3D štampanje kardiomiocita, ali i nismo uspjeli", rekla je Brenda Ogle, vodeći istraživač studije i šef Odsjeka za biomedicinsko inženjerstvo na Univerzitetu Minnesota College of Science and Engineering. „S obzirom na stručnost našeg tima u istraživanju matičnih ćelija i 3D štampanju, odlučili smo da isprobamo novi pristup. Optimizirali smo specijalizovano mastilo napravljeno od proteina ekstracelularnog matriksa, kombinovali mastilo sa ljudskim matičnim ćelijama i koristili mastilo plus ćelije za 3D štampanje komorne strukture. Matične ćelije su prvo proširene na visoku gustinu ćelija u strukturi, a zatim smo ih diferencirali na ćelije srčanog mišića."
Ono što je tim otkrio je da su po prvi put ikada mogli postići cilj visoke gustine ćelija za manje od mjesec dana kako bi omogućili ćelijama da kucaju zajedno, baš kao ljudsko srce.
"Posle godina istraživanja, bili smo spremni da odustanemo i tada su dva moja doktoranta biomedicinskog inženjerstva, Molly Kupfer i Wei-Han Lin, predložila da prvo pokušamo da štampamo matične ćelije", rekao je Ogle, koji je također direktor Instituta za matične ćelije Univerziteta u Minesoti. "Odlučili smo da pokušamo još jednom. Nisam mogao vjerovati kada smo pogledali posudu u laboratoriji i vidjeli kako se cijela stvar skuplja spontano i sinhrono i može pokretati tekućinu."
Ogle je rekao da je ovo također kritičan napredak u istraživanju srca jer ova nova studija pokazuje kako su uspjeli 3D štampati ćelije srčanog mišića na način da se ćelije mogu organizirati i raditi zajedno. Budući da su se ćelije razlikovale jedna pored druge, to je više slično tome kako će matične ćelije rasti u tijelu, a zatim se podvrgnuti specifikaciji ćelija srčanog mišića.
U poređenju s drugim visokoprofilnim istraživanjima u prošlosti, Ogle je rekao da ovo otkriće stvara strukturu koja je poput zatvorene vreće s ulazom i izlazom tekućine, gdje mogu mjeriti kako srce pokreće krv u tijelu. To ga čini neprocjenjivim alatom za proučavanje funkcije srca.
"Sada imamo model za praćenje i praćenje onoga što se dešava na ćelijskom i molekularnom nivou u strukturi pumpe koja počinje da se približava ljudskom srcu", rekao je Ogle. „Možemo uvesti bolesti i oštećenja u model, a zatim proučavati efekte lijekova i drugih terapijskih sredstava."
Model srčanog mišića dugačak je oko 1,5 centimetara i posebno je dizajniran da stane u trbušnu šupljinu miša radi daljeg proučavanja.
"Sve ovo izgleda kao jednostavan koncept, ali način na koji to postižete je prilično složen. Vidimo potencijal i mislimo da bi naše novo otkriće moglo imati transformativni učinak na istraživanje srca," rekao je Ogle.
Pored Oglea, Kupfera i Lina, drugi uključeni istraživači sa Univerziteta Minnesota uključuju profesoricu Alena G. Tolkacheva (biomedicinsko inženjerstvo) i profesora Michael McAlpinea (mašinsko inženjerstvo) na Fakultetu za nauku i inženjerstvo Univerziteta Minnesota; Vanredni profesor Medicinskog fakulteta Univerziteta u Minesoti DeWayne Townsend (integrativna biologija i fiziologija); trenutni i bivši magistarski studij na Univerzitetu Minnesota, Ph. D. studenti i postdoktori Vasanth Ravikumar (elektrotehnika), Kaiyan Qiu (doktorat, mašinstvo) i Didarul B. Bhuiyan (Ph. D.), Megan Lenz (M. S.) i Ryan R. Mahutga (biomedicinski inženjering); i student dodiplomskih studija Jeffrey Ai (biomedicinsko inženjerstvo). Tim je također uključivao profesora na Odsjeku za biomedicinsko inženjerstvo Univerziteta Alabama i predsjedavajućeg Jianyi Zhang i doktora biomedicinskog inženjerstva Univerziteta Alabama. student Lu Wang i znanstveni saradnik Ling Gao (Ph. D.).
