Tâm thất phải nhân tạo

Các kỹ sư ở Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã phát triển một mô hình máy của tâm thất phải, mô phỏng hoạt động đập nhịp và bơm máu của trái tim sống.

Tâm thất máy là sự kết hợp giữa mô tim sống với các cơ nhân tạo tổng hợp, giống như bóng bay. Nó cho phép các nhà khoa học kiểm soát các cơn co bópcủa tâm thất trong khi quan sát cách thức hoạt động của các van tự nhiên và những cấu trúc phức tạp khác.

Các nhà nghiên cứu có thể điều chỉnh tâm thất nhân tạo để mô phỏng trạng thái khỏe mạnh và bệnh tật. Nhóm nghiên cứu đã vận dụng mô hình này để tái hiện những tình trạng rối loạn chức năng tâm thất phải, bao gồm tăng huyết áp phổi và nhồi máu cơ tim. Họ cũng sử dụng nó để thử nghiệm các thiết bị hỗ trợ tim. Ví dụ, nhóm nghiên cứu đã ghép van cơ học vào đây để sửa chữa van bị trục trặc tự nhiên, sau đó quan sát quá trình bơm của tâm thất thay đổi như thế nào.

Các kỹ sư cho biết ta có thể sử dụng tâm thất phải máy mới này (RRV) làm nền tảng thực tế để nghiên cứu các rối loạn tâm thất phải, cũng như thử nghiệm các thiết bị và liệu pháp hướng đến điều trị những rối loạn đó.

Manisha Singh, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Viện Khoa học và Kỹ thuật Y tế (IMES) của MIT cho biết: “Tâm thất phải cực kỳ dễ bị rối loạn chức năng trong các đơn vị chăm sóc đặc biệt, nhất là ở những bệnh nhân phải thở máy. Trong tương lai, chúng ta có thể dùng bộ mô phỏng RRV để nghiên cứu tác động của việc dùng máy thở lên tâm thất phải và phát triển những chiến lược ngăn ngừa suy tim phải ở những bệnh nhân dễ gặp tổn thương này.”

Singh và các đồng nghiệp đã báo cáo chi tiết về thiết kế mới trong một bài báo truy cập mở đăng trên tạp chí Nature Cardiovascular Research. Các đồng tác giả bao gồm phó giáo sư Ellen Roche, thành viên cốt lõi của IMES và Phó trưởng Phòng nghiên cứu tại Khoa Cơ khí ở MIT; cùng Jean Bonnemain, Caglar Ozturk, Clara Park, Diego Quevedo-Moreno, Meagan Rowlett và Yiling Fan của MIT; Brian Ayers thuộc Bệnh viện Đa khoa Massachusetts; Christopher Nguyễn thuộc Phòng khám Cleveland; và Mossab Saeed ở Bệnh viện Nhi Boston.

Vở ballet các nhịp điệu

Tâm thất phải là một trong bốn buồng tim, cùng với tâm thất trái và tâm nhĩ trái - phải. Trong bốn buồng này, tâm thất trái là bộ phận quan trọng vì hệ thống cơ dày, hình nón của nó đảm nhận nhiệm vụ bơm máu đi khắp cơ thể. Còn tâm thất phải là một “nữ vũ công ballet”, như PGS. Roche ví von, vì nó xử lý tải trọng nhẹ hơn nhưng không kém phần quan trọng.

Roche lưu ý: “Tâm thất phải bơm máu đã khử oxy đến phổi, vì thế nó không cần phải bơm mạnh nữa. Đó là một cơ mỏng hơn, có cấu trúc và chuyển động phức tạp hơn.”

Độ phức tạp về mặt giải phẫu của bộ phận này đã gây khó khăn cho các bác sĩ lâm sàng trong việc quan sát và đánh giá chính xác hoạt động của tâm thất phải ở bệnh nhân mắc bệnh tim.

Singh cho biết: “Các công cụ thông thường khó mà nắm bắt được cơ chế và động lực phức tạp của tâm thất phải, dẫn đến chẩn đoán sai và chiến lược điều trị không đầy đủ”.

Để nâng cao hiểu biết về buồng tim vốn không nhiều thông tin và tăng tốc độ phát triển các thiết bị tim để điều trị rối loạn chức năng của nó, nhóm nghiên cứu đã thiết kế một mô hình chức năng thực tế của tâm thất phải, nhằm vừa nắm bắt được độ phức tạp về mặt giải phẫu vừa tái tạo chức năng bơm của nó.

Mô hình này gồm có mô tim thật, lý do là vì nó có những cấu trúc tự nhiên quá phức tạp để nhóm nghiên cứu có thể tái tạo bằng phương pháp tổng hợp.

“Có những dây chằng và lá van mỏng, vô cùng nhỏ với các đặc tính vật liệu khác nhau, tất cả đều chuyển động phối hợp với cơ tâm thất. Việc cố gắng đúc hay in những cấu trúc phức tạp này khá là khó khăn”, Roche giải thích.

Thời hạn sử dụng của trái tim

Trong nghiên cứu mới, nhóm kỹ sư đã chuyển tâm thất phải sang môi trường dinh dưỡng, họ đã xử lý để cẩn thận giữ được các cấu trúc bên trong. Rồi, họ bọc quanh nó một lớp silicone, thứ hoạt động như cơ tim tổng hợp mềm mại, hoặc lớp lót cơ. Với lớp lót này, nhóm đã đưa vào một số ống dài như bóng bay, nó bao quanh mô tim thật, tại những vị trí mà nhóm đã xác định thông qua mô hình tính toán để tối ưu việc tạo ra các cơn co bóp của tâm thất. Các nhà nghiên cứu đã kết nối từng ống vào hệ thống kiểm soát, sau đó họ bắt đầu thổi phồng và làm xẹp các ống với tốc độ mô phỏng nhịp điệu và chuyển động của trái tim thật.

Để thử nghiệm khả năng bơm của nó, nhóm truyền chất lỏng có độ nhớt như máu vào mô hình này. Dung dịch đặc thù này trong suốt, cho phép các kỹ sư quan sát các van và cấu trúc nội tại phản ứng thế nào khi tâm thất bơm chất lỏng đi qua nhờ camera bên trong.

Họ phát hiện thấy lực bơm và chức năng của các cấu trúc nội tại tương tự với những cái mà trước đây họ đã quan sát được ở các con vật sống, khỏe mạnh. Điều này chứng minh mô hình có thể mô phỏng đầy thực tế hoạt động và giải phẫu của tâm thất phải. Các nhà nghiên cứu cũng có thể điều chỉnh tần suất và công suất của các ống bơm để mô phỏng các tình trạng khác nhau của tim, chẳng hạn như chứng nhịp tim không đều, suy nhược cơ và tăng huyết áp.

Nhằm chứng minh tâm thất nhân tạo có thể dùng để thử nghiệm các thiết bị tim, nhóm kỹ sư đã làm phẫu thuật để cấy một thiết bị y tế dạng vòng có nhiều kích cỡ khác nhau để sửa chữa van ba lá của buồng tim – van lá một chiều cho máu chảy vào tâm thất phải. Khi van này bị hở hoặc tổn thương, nó có thể khiến suy tim phải hoặc rung tâm nhĩ, và dẫn tới những triệu chứng như khả năng vận động giảm sút, sưng phù chân và bụng, gan phình đại.

Các nhà nghiên cứu đã dùng phẫu thuật để điều khiển van của tâm thất-máy nhằm mô phỏng tình trạng này, sau đó họ thay nó bằng cách cấy một van máy, hoặc sửa chữa nó bằng những thiết bị dạng vòng có kích thước khác nhau. Họ quan sát thiết bị nào cải thiện dòng chảy chất lưu của tâm thất khi nó tiếp tục bơm.

“RRV có khả năng tái hiện chính xác tình trạng rối loạn chức năng van ba lá. Nhờ thế, đây có thể là nơi tập luyện lý tưởng cho các bác sĩ phẫu thuật và bác sĩ tim mạch can thiệp. Họ có thể thực hành các kỹ thuật giải phẫu mới để sửa chữa hay thay thế van ba lá trong mô hình, trước khi thực hiện chúng trên bệnh nhân thực sự”, Singh cho biết.

Hiện nay, RRVcó thể mô phỏng chức năng thực tế trong vòng vài tháng. Nhóm kỹ sư đang làm việc để kéo dài hiệu suất trên và cho phép mô hình liên tục vận hành trong khoảng thời gian dài hơn. Họ cũng hợp tác với các nhà chế tạo thiết bị cấy ghép để thử nghiệm mẫu thử trên tâm thất nhân tạo, và có khả năng tăng tốc việc chế tạo sản phẩm nhằm ứng dụng cho bệnh nhân. Nhìn về tương lai xa, Rochedự định ghép RRVvới một mô hình tâm thất trái chức năng, nhân tạo tương tự, mà hiện nay nhóm của họ đang điều chỉnh.

Nguồn: news.mit.edu