โรคหัวใจ ซึ่งเป็นสาเหตุการเสียชีวิตอันดับต้นๆ ในสหรัฐอเมริกา ส่วนหนึ่งเป็นอันตรายถึงชีวิต เนื่องจากหัวใจซึ่งแตกต่างจากอวัยวะอื่นๆ ไม่สามารถซ่อมแซมตัวเองได้หลังจากได้รับบาดเจ็บ นั่นคือเหตุผลที่ว่าทำไมวิศวกรรมเนื้อเยื่อ รวมทั้งการประดิษฐ์หัวใจมนุษย์ทั้งดวงเพื่อการปลูกถ่ายในท้ายที่สุด จึงมีความสำคัญต่ออนาคตของยารักษาโรคหัวใจ
ในการสร้างหัวใจมนุษย์จากพื้นดิน นักวิจัยจำเป็นต้องจำลองโครงสร้างที่เป็นเอกลักษณ์ที่ประกอบขึ้นเป็นหัวใจ ซึ่งรวมถึงการสร้างรูปทรงเกลียวขึ้นใหม่ ซึ่งสร้างการเคลื่อนไหวที่บิดเบี้ยวเมื่อหัวใจเต้น มีทฤษฎีมานานแล้วว่าการเคลื่อนที่แบบบิดเป็นเกลียวนี้มีความสำคัญต่อการสูบฉีดเลือดในปริมาณมาก แต่การพิสูจน์ว่าเป็นเรื่องยาก ส่วนหนึ่งเป็นเพราะการสร้างหัวใจด้วยรูปทรงและการจัดแนวที่แตกต่างกันนั้นเป็นสิ่งที่ท้าทาย
ตอนนี้ นักชีววิศวกรรมจาก โรงเรียนวิศวกรรมศาสตร์และวิทยาศาสตร์ประยุกต์แห่งฮาร์วาร์ด จอห์น เอ. พอลสัน (SEAS) ได้พัฒนาแบบจำลองไบโอไฮบริดรุ่นแรกของโพรงสมองของมนุษย์ที่มีเซลล์หัวใจเต้นเป็นเกลียวเป็นแนวเฮลท์ และได้แสดงให้เห็นว่าการจัดแนวของกล้ามเนื้อช่วยเพิ่มปริมาณได้อย่างมาก เลือดที่หัวใจห้องล่างสามารถสูบฉีดได้ด้วยการหดตัวแต่ละครั้ง
ความก้าวหน้านี้เกิดขึ้นได้โดยใช้วิธีการใหม่ในการผลิตสิ่งทอแบบเติมเนื้อ Focused Rotary Jet Spinning (FRJS) ซึ่งช่วยให้สามารถผลิตเส้นใยที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางตั้งแต่หลายไมโครเมตรไปจนถึงหลายร้อยนาโนเมตรได้ในปริมาณมาก พัฒนาโดย SEAS โดย Kit Parker’s Disease Biophysics Groupเส้นใย FRJS ช่วยจัดตำแหน่งเซลล์โดยตรง ทำให้เกิดโครงสร้างควบคุมเนื้อเยื่อ
งานวิจัยนี้ตีพิมพ์ใน วารสารScience
Parker, ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมชีวภาพและฟิสิกส์ประยุกต์ของ Tarr Family ที่ SEAS และผู้เขียนอาวุโสของรายงานกล่าวว่า “งานนี้ถือเป็นก้าวสำคัญสำหรับการผลิตอวัยวะชีวภาพ และทำให้เราเข้าใกล้เป้าหมายสูงสุดในการสร้างหัวใจมนุษย์สำหรับการปลูกถ่าย”
งานนี้มีรากฐานมาจากความลึกลับที่มีอายุหลายศตวรรษ ในปี ค.ศ. 1669 นายแพทย์ชาวอังกฤษ Richard Lower ซึ่งเป็นชายที่นับ John Locke ในหมู่เพื่อนร่วมงานของเขาและ King Charles II ในหมู่ผู้ป่วยของเขาได้สังเกตเห็นการจัดเรียงของกล้ามเนื้อหัวใจแบบเกลียวในงาน Tractatus de Corde ของเขา
ตลอดสามศตวรรษข้างหน้า แพทย์และนักวิทยาศาสตร์ได้สร้างความเข้าใจที่ครอบคลุมมากขึ้นเกี่ยวกับโครงสร้างของหัวใจ แต่จุดประสงค์ของกล้ามเนื้อที่วนเป็นเกลียวนั้นยังคงยากต่อการศึกษา
ในปี 1969 Edward Sallin อดีตหัวหน้าภาควิชาชีวคณิตศาสตร์ที่มหาวิทยาลัย Alabama Birmingham Medical School แย้งว่าการจัดตำแหน่งเกลียวของหัวใจมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการบรรลุเศษส่วนที่ดีดออกจำนวนมาก ซึ่งเป็นเปอร์เซ็นต์ของปริมาณเลือดที่สูบฉีดในช่องท้องกับการหดตัวแต่ละครั้ง
“เป้าหมายของเราคือการสร้างแบบจำลองที่เราสามารถทดสอบสมมติฐานของ Sallin และศึกษาความสำคัญเชิงสัมพันธ์ของโครงสร้างเกลียวของหัวใจ” John Zimmerman นักวิชาการด้านดุษฏีบัณฑิตที่ SEAS และผู้ร่วมเขียนบทความฉบับแรกกล่าว
เพื่อทดสอบทฤษฎีของ Sallin นักวิจัย SEAS ใช้ระบบ FRJS เพื่อควบคุมการจัดตำแหน่งของเส้นใยปั่นที่พวกมันสามารถเติบโตเซลล์หัวใจได้
ขั้นตอนแรกของ FRJS ทำงานเหมือนเครื่องทำขนมสายไหม — สารละลายโพลีเมอร์เหลวถูกบรรจุลงในอ่างเก็บน้ำและผลักออกทางช่องเล็กๆ ด้วยแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางขณะที่อุปกรณ์หมุน เมื่อสารละลายออกจากอ่างเก็บน้ำ ตัวทำละลายจะระเหย และโพลีเมอร์จะแข็งตัวเป็นเส้นใย จากนั้นกระแสลมที่เน้นจะควบคุมทิศทางของเส้นใยขณะที่วางอยู่บนตัวสะสม ทีมงานพบว่าโดยการตกปลาและหมุนตัวสะสม เส้นใยในลำธารจะเรียงตัวและบิดไปรอบๆ ตัวสะสมขณะที่หมุนตัว โดยเลียนแบบโครงสร้างเกลียวของกล้ามเนื้อหัวใจ
การปรับตำแหน่งของเส้นใยสามารถปรับได้โดยการเปลี่ยนมุมของตัวสะสม
Huibin Chang นักวิจัยด้านดุษฏีบัณฑิตที่ SEAS และผู้ร่วมเขียนบทความฉบับแรกกล่าวว่า “หัวใจของมนุษย์มีกล้ามเนื้อหลายชั้นที่เรียงตัวเป็นเกลียวโดยมีมุมการจัดตำแหน่งต่างกัน “ด้วย FRJS เราสามารถสร้างโครงสร้างที่ซับซ้อนเหล่านั้นขึ้นมาใหม่ได้อย่างแม่นยำ โดยสร้างโครงสร้างช่องเดี่ยวหรือสี่ห้อง”
ต่างจากการพิมพ์ 3 มิติ ซึ่งจะทำงานช้าลงเมื่อคุณสมบัติมีขนาดเล็กลง FRJS สามารถหมุนเส้นใยได้อย่างรวดเร็วในระดับไมครอนเดียว หรือเล็กกว่าเส้นผมมนุษย์เพียงเส้นเดียวประมาณห้าสิบเท่า นี่เป็นสิ่งสำคัญเมื่อพูดถึงการสร้างหัวใจตั้งแต่เริ่มต้น ยกตัวอย่างเช่น คอลลาเจน ซึ่งเป็นโปรตีนเมทริกซ์นอกเซลล์ในหัวใจ ซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียงไมครอนเดียว จะใช้เวลามากกว่า 100 ปีในการพิมพ์ 3 มิติของคอลลาเจนในหัวใจมนุษย์ทุกเม็ดในความละเอียดนี้ FRJS สามารถทำได้ในวันเดียว
หลังจากการปั่น โพรงถูกเพาะด้วยคาร์ดิโอไมโอไซต์ของหนูแรทหรือเซลล์คาร์ดิโอไมโอไซต์ที่ได้มาจากสเต็มเซลล์ของมนุษย์ ภายในเวลาประมาณหนึ่งสัปดาห์ เนื้อเยื่อบางชั้นบางๆ ถูกตีคลุมโครงนั่งร้าน โดยมีเซลล์เรียงตามแนวของเส้นใยด้านล่าง
หัวใจห้องล่างเต้นเลียนแบบการเคลื่อนไหวที่บิดเบี้ยวหรือบิดเบี้ยวแบบเดียวกันในหัวใจมนุษย์
นักวิจัยได้เปรียบเทียบการเสียรูปของหัวใจห้องล่าง ความเร็วของการส่งสัญญาณไฟฟ้า และเศษส่วนการดีดออกระหว่างโพรงที่ทำจากเส้นใยที่เรียงตัวเป็นเกลียวและที่ทำจากเส้นใยที่เรียงตามเส้นรอบวง พวกเขาพบในทุกด้านหน้า
“ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2546 กลุ่มของเราได้ทำงานเพื่อทำความเข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างและหน้าที่ของหัวใจ และวิธีที่โรคส่งผลต่อความสัมพันธ์เหล่านี้ในทางพยาธิวิทยา” ปาร์กเกอร์กล่าว “ในกรณีนี้ เรากลับไปพูดถึงการสังเกตที่ไม่เคยทดสอบเกี่ยวกับโครงสร้างเกลียวของสถาปัตยกรรมลามินาร์ของหัวใจ โชคดีที่ศาสตราจารย์ Sallin ตีพิมพ์คำทำนายเชิงทฤษฎีเมื่อกว่าครึ่งศตวรรษก่อน และเราสามารถสร้างแพลตฟอร์มการผลิตใหม่ที่ช่วยให้เราสามารถทดสอบสมมติฐานของเขาและตอบคำถามที่มีอายุหลายศตวรรษนี้ได้”
ทีมงานยังแสดงให้เห็นด้วยว่ากระบวนการนี้สามารถปรับขนาดได้จนถึงขนาดของหัวใจมนุษย์จริง ๆ และยิ่งใหญ่กว่านั้นถึงขนาดหัวใจของวาฬมิงค์ (พวกเขาไม่ได้เพาะโมเดลที่ใหญ่กว่าด้วยเซลล์เพราะจะใช้เซลล์ ).
นอกจากการผลิตทางชีวภาพแล้ว ทีมงานยังสำรวจการใช้งานอื่นๆ สำหรับแพลตฟอร์ม FRJS ของพวกเขา เช่น บรรจุภัณฑ์อาหาร
สำนักงาน พัฒนาเทคโนโลยีของฮาร์วาร์ด ได้ปกป้องทรัพย์สินทางปัญญาที่เกี่ยวข้องกับโครงการนี้ และกำลังสำรวจโอกาสในการทำการค้า
งานนี้ร่วมเขียนโดย Qihan Liu, Keel Yong Lee, Qianru Jin, Michael M. Peters, Michael Rosnach, Suji Choi, Sean L. Kim, Herdeline Ann M. Ardoña, Luke A. MacQueen, Christophe O. Chantre, Sarah E. Motta และ Elizabeth M. Cordoves
ได้รับการสนับสนุนบางส่วนโดยศูนย์วิทยาศาสตร์และวิศวกรรมการวิจัยวัสดุฮาร์วาร์ด (DMR-1420570, DMR-2011754) สถาบันสุขภาพแห่งชาติที่มีศูนย์ระบบระดับนาโน (S10OD023519) และศูนย์วิทยาศาสตร์การแปลขั้นสูงแห่งชาติ (UH3TR000522, 1- UG3-HL-141798-01)
