In sinh học 3D giúp nghiên cứu tim người

Theo TS Holly Bauser-Heaton thuộc Đại học Emory, những nghiên cứu trên động vật cung cấp các hướng dẫn tốt để hiểu trái tim người, nhưng kích thước, cấu trúc thiết kế buồng tim động vật đều khác  rất nhiều tim người.

Ngay cả những công nghệ ảnh tiên tiến nhất cũng bị hạn chế về khả năng cung cấp những bức ảnh rõ ràng về sự tương tác lẫn nhau trong tim người sống giữa các tế bào và các lực cơ học trong cấu trúc xung quanh trái tim. Đặc biệt khó theo dõi và xác định trong giai đoạn phát triển phôi thai và giai đoạn đầu của thai nhi.

Để nghiên cứu xác định, những tín hiệu từ vi môi trường trong tim người ảnh hưởng đến sự phát triển như thế nào, nhóm khoa học do TS Bauser-Heaton và TS Vahid Serpooshan dẫn đầu đã tạo kiến trúc bên trong tim, nhúng các tế bào nội mô lên bề mặt để những tế bào này phát triển, tạo thành lớp niêm mạc khoang tim, có thể hoạt động như trong cơ thể con người.

Công nghệ tái tạo ba chiều (3D) các giai đoạn phát triển ban đầu của tim người đã được công bố gần đây trên Tạp chí Advanced Healthcare Materials.

Mô hình tim 3D in sinh học để nghiên cứu sự phát triển các tế bào.

Trong nghiên cứu này, các nhà khoa học sử dụng hydrogel, có khả năng hỗ trợ sự phát triển và chức năng của tế bào làm mực sinh học để in cấu trúc bên trong của trái tim, nơi các tế bào nội mô của con người sẽ phát triển. Cấu trúc này cho phép các tế bào được nhúng vào những điều kiện tương tự như những gì có trong trái tim con người đang phát triển.

Để chế tạo trái tim nhân tạo, các nhà khoa học đã sử dụng một polymer mềm chức năng - một hydrogel - điều chỉnh các đặc tính vật lý tương tự như các đặc tính trong mô tim thực sự và sử dụng phần mềm thiết kế trên máy tính (CAD) tái tạo các cấu trúc chính xác trong lĩnh vực giải phẫu học, mô phỏng trái tim bệnh nhân.

TS Serpooshan cho biết: “Chúng tôi đã sử dụng hình ảnh mô học những mặt cắt nối tiếp của trái tim phôi thai người để tái tạo mô hình 3D bằng phần mềm kỹ thuật số CAD. Chúng tôi thêm các đầu và van vào ra của dòng chảy, cho phép chất lỏng đi qua vào bên trong của cấu trúc mô phỏng trái tim. Khi các mô hình sinh học được in, mô hình được loại bỏ mực in sinh học dư thừa để mở các khoang giải phẫu học bên trong”.

Mô hình tim 3D trong thiết kế CAD.

Trái tim nhân tạo tổng hợp có thể được bơm máu với tốc độ dòng chảy tương tự lưu lượng máu trong những giai đoạn phát triển của con người hoặc bệnh cụ thể của tim. Sử dụng mô hình này, các nhà nghiên cứu xác định được, động lực học chất lỏng và cấu trúc vật lý của tim có ảnh hưởng đến sự phát triển của các tế bào nội mô lót trái tim nhân tạo được in 3D.

BS Bauser-Heaton cho biết: Các tế bào từ những người khỏe mạnh hoặc bệnh nhân bị bệnh tim có thể được nuôi cấy dưới dòng chảy dung dịch tương tự máu trong các mô hình 3D của trái tim người đang phát triển đồng thời khi những yếu tố vi môi trường có thể được điều khiển từ bên ngoài.

“Phương pháp tổ hợp mô phỏng thực tế độc đáo này cho phép mô hình hóa chính xác các lực cơ học, không thể đo được trong cơ thể sống nhưng có khả năng chi phối sự phát triển của tim và tác động đến các bệnh tim bẩm sinh”.

Nghiên cứu này giới thiệu thế hệ đầu tiên của những mô hình cơ quan nội tại chức năng 3D, chính xác về mặt giải phẫu tim người đang phát triển. Mô hình cơ bản này cho phép điều chỉnh chính xác các yếu tố vi môi trường, chẳng hạn như dòng chảy và cấu trúc hình học nội khoang, từ đó cho phép nghiên cứu theo dõi những quá trình phát triển bình thường và các bệnh tiềm ẩn về tim của con người.