Bilim insanları, dünya genelinde en sık görülen ölüm nedeni olan kalp ve damar hastalıklarıyla mücadelede çığır açabilecek, üç boyutlu bir 'çip üzerinde kalp' (HOC) geliştirdi. Bu yapay kalp dokusu, kendi kendine atabilme, kas aktivitesini başlatmak için kalsiyumu harekete geçirme ve yaygın kullanılan ilaçlara öngörülebilir şekilde yanıt verme yeteneğine sahip.
Mevcut en büyük zorluklardan biri, bir insan kalbinin bir ilaca veya hastalığa nasıl tepki vereceğini, kimseyi riske atmadan kolayca test edemememizdir. Geliştirilen bu mühendislik ürünü kalp dokusu, hücresel düzeyde aktiviteyi gerçek zamanlı olarak izleyen çift sensörlü bir platformu ilk kez bünyesinde barındırıyor.
Kanadalı birçok kurumdan bilim insanları, laboratuvar ortamında yetiştirilen bu kalp dokusunun, kalp mühendisliği ve farmakolojik testlerde önemli bir ilerleme kaydettiğini açıklıyor. Bu sistemin en büyük yeniliği, hem makro düzeydeki hem de mikro düzeydeki kalp aktivitesini tespit edebilen sensörlerin entegrasyonudur. Mevcut çip üzerinde kalp platformlarında ve araştırmacıların önceki çalışmalarında, hücresel düzeyde yüksek çözünürlüklü algılama yeteneği bulunmuyordu.
Küçük ölçekli algılama, birçok kalp ve damar hastalığı (KVH) kalp kası hücrelerindeki veya miyokardiyum denilen kalbi oluşturan bireysel kas hücrelerindeki işlev bozukluklarıyla ilişkilendirildiği için büyük önem taşımaktadır. Dolayısıyla, hücresel fonksiyonun ölçülmesi, KVH hastalarında kalp yetmezliğini önlemek açısından kritik öneme sahiptir.
Araştırmacılar, bu çip üzerinde kalp modellerini oluşturmak için sıçanlardan kalp kası hücreleri ve kalp bağ dokusu hücreleri topladılar. Bu hücreleri, büyüme ve gelişmeyi teşvik etmek amacıyla lifli proteinler ve besinler açısından zengin, jel benzeri bir matris içine yerleştirdiler ve ardından bu dokuları küçük, esnek, silikon tabanlı çipler üzerine ekim yaptılar.
Araştırmacılar, çip üzerinde kalp modellerine iki tür sensör yerleştirdiler. Makro düzeydeki kuvvetleri ölçmek için, mühendislik ürünü kalp dokusunu iki elastik sütun arasına yerleştirdiler. Bu sütunlar her kalp atışıyla deforme oluyor ve deformasyon miktarı, doku boyunca uzanan kasılma gücüne karşılık geliyor.
Ayrıca araştırmacılar, esnek, hidrojelle kaplı mikro sensörleri dokunun içine yerleştirdiler. Ortalama sadece 50 mikrometre (0.002 inç) boyutundaki bu küçük damlacıkların deformasyonu, hücresel düzeydeki yerel mekanik stresleri kaydediyor.
Hücrelerden kaynaklanan kuvvetler, kalp dokusunun oluşumu, yeniden yapılanması, kasılma verimliliği, yara iyileşmesi ve hatta kanser ilerlemesi dahil olmak üzere kalp dokularının kaderini belirlediğinden, bu gelişme, in vitro (laboratuvar ortamında) patolojileri test etme yolunda büyük bir adımdır.
In vitro testler aynı zamanda farmakolojik müdahaleler hakkında da bilgi sağlayabilir. Bu nedenle araştırmacılar, iki iyi bilinen bileşik ile tedavi ederek çip üzerinde kalp modellerini kullanarak ilaç tarama fezibilitesini değerlendirdiler. Bu bileşiklerden ilki, norepinefrin, yani diğer adıyla noradrenalin. Bu madde, vücudun 'savaş ya da kaç' tepkisini tetikler ve sağlık kuruluşlarında kalp aktivitesini artırmak ve kardiyak arrest gibi durumlarda kan basıncını korumak için kullanılır.
Ters etkiyi test etmek ve kasılma aktivitesini azaltmak için araştırmacılar ayrıca kas aktivitesini engelleyen bir bileşik olan blebbistatin uyguladılar. İlaçlar beklendiği gibi çalışarak, çip üzerinde kalp modellerinin kardiyak kuvvet üretimi ve kalp ritimlerinin yaygın bileşiklere nasıl tepki verdiğini tahmin edebildiğini gösterdi.
'Doku tepkisini farklı bileşiklere gerçek zamanlı olarak gözlemleme yeteneği, preklinik gelişim ve translasyonel araştırmalar için büyük bir avantaj sağlıyor' diyen çalışmanın ilk yazarı, Montreal Üniversitesi'nden biyomedikal mühendisi Ali Mousavi, bu yöntemin önemini vurguluyor.
Araştırmacılar bir sonraki adımlarında, dilate kardiyomiyopati gibi sıklıkla genetik kökenli, kalp yetmezliğine yol açabilen bir kalp kası hastalığı ve düzensiz kalp atışı (aritmi) gibi çeşitli kalp rahatsızlıkları yaşayan hastaların hücrelerini kullanarak kalp dokuları oluşturmayı planlıyorlar.
Uzun vadede, çip üzerinde kalp modelleri, bir ilaç reçete edilmeden önce hastanın kendi hücreleri üzerinde yapılacak testler aracılığıyla doktorların tedavileri seçmesine yardımcı olabilir. Montreal Üniversitesi'nden kıdemli yazar ve makine ile biyomedikal mühendisi Houman Savoji, 'Bu çığır açan gelişme, tedavi uygulanmadan önce her birey için en etkili ilacı belirlememize olanak tanıyarak bizi gerçek hassas sağlık hizmetlerine bir adım daha yaklaştırıyor' şeklinde konuşuyor.
Bu araştırma, Nano Micro Small dergisinde yayımlandı.
