새로운 미니어처 심장은 심장 질환의 치료 속도를 높이는 데 도움이 될 수 있습니다 – ScienceDaily


인간의 심장 움직임을 닫는 안전한 방법은 없습니다. 그것을 꺼내보고 되돌릴 수 없습니다. 과학자들은 이것을 피하기 위해 다양한 방법을 시도해 왔습니다. 기본적인 문제 : 그들은 시체의 심장을 기계에 연결하고 다시 펌핑하고 실험실에서 자란 심장 조직을 스프링에 부착하여 팽창과 수축을 관찰했습니다. 각 접근법에는 단점이 있습니다. 소생된 심장은 몇 시간 밖에 박동할 수 없습니다. 스프링은 실제 근육에 작용하는 힘을 재현할 수 없습니다. 그러나 이 중요한 장기를 더 잘 이해하는 것은 시급하다. 미국에서는 질병 관리 예방 센터에 따르면 누군가가 36 초마다 심장 질환으로 사망하고 있습니다.

현재 엔지니어, 생물학자, 유전학자의 학제 간 팀이 심장을 연구하는 새로운 방법을 개발했습니다. 그들은 나노 엔지니어링 된 부품과 인간의 심장 조직의 조합에서 심장의 미니어처 복제본을 구축했습니다. 스프링이나 외부 전원이 없습니다. 진짜처럼, 줄기세포에서 자란 살아있는 심장 조직에 의해 구동되며, 그 자체가 고동하는 것입니다. 이 장치를 사용하면 연구자가 장기가 어떻게 작동하는지 더 정확하게 파악할 수 있으므로 배아에서 심장이 어떻게 성장하는지 추적하고 질병의 영향을 연구하며 새로운 치료법의 잠재력 모든 효과와 부작용을 0 위험으로 테스트할 수 있습니다. 환자에게 그리고 실험실을 떠나지 않고.

보스턴 대학이 주도하는 가제트 뒤에있는 팀 (miniPUMP라고, 공식적으로 심장의 소형화된 Precision 대응 단방향 마이크로 유체 펌프로 알려져 있습니다)는이 기술은 폐에서 신장.그들의 조사 결과는 에 게시 과학 어드밴스.

“지금까지 불가능했던 방법으로 질병의 진행을 연구할 수 있습니다. “특히 복잡한 역학을 위해 심장 조직을 다루기로 선택했지만, 나노기술을 사용하여 조직 공학과 결합하면 여러 장기에 복제할 수 있다는 것을 보여주었습니다.”

연구자에 따르면 이 장치는 궁극적으로 의약품 개발 프로세스를 가속화하고 빠르고 저렴하게 만들 수 있다고 합니다. 수백만, 경우에 따라서는 수십 년을 보내고 의약품을 개발 파이프라인으로 이동시키고, 사람들이 테스트할 때 최종 장애물로 떨어지는 것을 확인하는 대신, 연구자는 먼저 miniPUMP를 사용합니다. 성공 또는 실패를 더 정확하게 예측할 수 있습니다.

이 프로젝트는 BU가 주도하는 세포 메타 머티리얼의 다 시설 국립 과학 재단 공학 연구 센터 인 CELL-MET의 일부입니다. 센터의 목표는 병에 걸린 인간의 심장 조직을 재생하고 과학자와 업계 전문가의 커뮤니티를 구축하여 신약을 테스트하고, 심장 발작이나 질병으로 손상된 심장에 인공 이식 패치를 만드는 것입니다.

2013년 BU에 입사하기 전에 알카텔-루센트 벨 연구소의 주임 과학자였던 화이트는 말했다. . 공격. CELL-MET의 비전은 이것을 바꾸는 것입니다. “

개인화 의료

당신의 마음에 잘 어울리지 않는 많은 것들이 있습니다. 4개의 실린더 모두에서 적절하게 발화하면, 심장의 상부와 하부의 2개의 챔버가 혈액의 흐름을 유지해, 산소가 풍부한 혈액이 순환하여 몸에 공급됩니다. 그러나 질병이 발생하면 심장에서 혈액을 옮기는 동맥이 좁아지거나 막히거나, 밸브가 누출되거나 기능 부전이되거나, 심근이 얇아지거나 두꺼워지거나, 전기 신호가 짧아지고, 너무 적거나 너무 적을 수 있습니다. 비트. 확인되지 않은 심장병은 호흡 곤란, 불쾌감, 붓기, 흉통과 같은 불편 함을 일으키며 종종 죽을 수 있습니다.

“심장은 우리 몸에 혈액을 보내면 복잡한 힘을 경험합니다. “고혈압이나 심장 판막증과 같은 비정상적인 힘에 반응하여 심근이 악화되는 것으로 알려져 있지만, 이러한 질병의 과정을 모방하고 연구하는 것은 어려웠습니다. 한 심장실을 구축합니다.”

불과 3 평방 센티미터의 미니 펌프는 우표만큼 크지 않습니다. 인간의 심실 (또는 근육의 하단 챔버)처럼 작동하도록 제작되었으며, 맞춤형 구성 요소는 3D 인쇄 플라스틱의 얇은 부분에 부착됩니다. 액체 (이 경우 혈액이 아닌 물)의 흐름을 제어하기 위해 개폐하는 소형 아크릴 밸브와 동맥이나 정맥과 같이 액체를 붓는 작은 튜브가 있습니다. 그리고 줄기세포 기술을 사용하여 만들어진 심장조직을 수축시키는 근세포인 심근세포를 한 모퉁이로 치는다.

“인공 다능성 줄기 세포를 사용하여 생성됩니다.”라고 박사 논문의 일부로 miniPUMP 개발을 설계하고 주도한 포스독 연구원인 Christos Michas (ENG’21)는 말합니다.

심근 세포를 만들기 위해 연구자는 성인에서 세포를 꺼내 – 피부 세포, 혈구 또는 거의 모든 다른 세포 일 수 있습니다 – 배아와 같은 줄기 세포로 재 프로그램하고 을 심장 세포로 변환합니다. Michas는 또한 장치에 문자 그대로의 심장을 제공하는 것 외에도 심근 세포는 선구적인 개인화 의료를 지원하는 시스템에 큰 잠재력을 줄 것이라고 말합니다. 연구자는 예를 들어 질병의 조직을 장치에 배치하고 조직에서 약물을 테스트하여 펌프 능력이 어떻게 영향을 받는지 관찰할 수 있습니다.

“이 시스템을 사용하면 세포를 꺼내면 약물이 어떻게 반응하는지 볼 수 있습니다. 이것이 여러분의 세포이기 때문입니다.”라고 Michas는 말합니다. “이 시스템은 심장 기능의 일부를 더 잘 복제하지만 동시에 복제하는 다양한 인간과의 유연성을 제공합니다. 확인하기 위한 더 예측적인 모델입니다.’

Michas에 따르면, 이를 통해 과학자들은 임상 시험을 진행하기 훨씬 전에 새로운 심장병 치료제의 성공 가능성을 평가할 수 있습니다. 많은 후보 약물은 유해한 부작용으로 인해 실패합니다.

“처음에는 여전히 세포에서 놀고 있을 때 이러한 장치를 도입하여 임상 시험에서 어떤 일이 일어날지 더 정확하게 예측할 수 있습니다.”라고 Michas는 말합니다. “그것은 또한 약이 부작용이 적을 수 있음을 의미합니다.”

인간의 머리카락보다 얇은

miniPUMP의 중요한 부분 중 하나는 수축시 심장 조직을 지원하고 함께 움직이는 아크릴 발판입니다. 인간의 머리카락보다 얇은 일련의 극세의 동심 나선이 수평 링으로 연결되어 있으며, 발판은 예술적 피스톤처럼 보입니다. 이것은 퍼즐의 중요한 부분이며 심장 세포에 구조를 제공합니다. 이것은 심장 세포가 없으면 형태가 없는 덩어리가 되지만, 심장 세포에 적극적인 힘을 미치지 않는다.

“심장 조직을 연구하는 이전 방법은 근육이 몸에 어떻게 반응하는지 파악하지 않는다”고 BU의 생물학적 디자인 센터의 이사이자 하버드 대학의 Wyss Institute for BiologicallyInspiredEngineering의 준교원인 Chen은 말합니다. “이것은 우리가 심장이 실제로 경험하고 있다고 생각하는 것에 기계적으로 유사한 것을 만들 수있는 첫 번째 기회를 제공합니다. 그것은 큰 전진입니다.”

팀은 작은 구성 요소의 각각을 인쇄하기 위해 2 광자 직접 레이저 쓰기라는 프로세스를 사용했습니다. 이것은 3D 인쇄의보다 정확한 버전입니다. 빛이 액체 수지에 조사되면 빛이 닿는 영역이 고체가됩니다. 작은 스팟에 초점을 맞추고 이러한 정확도로 빛을 향하게 할 수 있기 때문에 miniPUMP의 구성 요소의 대부분은 먼지 입자보다 작은 미크론 단위로 측정됩니다.

펌프를 실물 크기 이상이 아니라 매우 작게 만드는 결정은 의도적이며 그 기능에 매우 중요합니다.

“구조 요소는 매우 미세하기 때문에 일반적으로 단단한 것은 유연합니다.”라고 White는 말합니다. “유추하고 광섬유에 대해 생각해 봅시다. 유리창은 매우 단단하지만 유리 광섬유를 손가락에 감을 수 있습니다. 아크릴은 매우 단단할 수 있지만 miniPUMP에 포함된 규모 그러면 아크릴의 스캐폴드는 다음과 같습니다.

첸 씨에 따르면, 펌프의 규모는 “더 세밀한 인쇄 아키텍처를 사용하면 이전에 생각했던 것보다 더 복잡한 셀의 조직을 만들 수 있다”고 밝혔다. 현재, 연구자가 세포를 만들려고 할 때, 심장 세포이든 간세포이든, 모두 무질서하다고 그는 말합니다. 즉, miniPUMP로 개척된 조직의 스캐폴드는 심장을 넘어서 큰 잠재적인 영향을 미치며, 신장에서 폐까지 칩에 있는 다른 기관의 기초를 구축합니다.

기술 세련

화이트에 따르면 CELL-MET의 연구팀은 그녀, 첸, 플로리다 국제 대학의 Arvind Agarwal과 같은 기계, 생물 의학, 재료 엔지니어뿐만 아니라 유전학자 Jonathan G를 포함한 다양한 전문 집이 있기 때문에 획기적인 진보가 가능합니다. . 하버드 대학 의학부 시드맨 및 심장 혈관 의학 전문가 크리스틴 E. 하버드 대학 의과 및 브리검 앤 여성 병원 시드맨. 이것은 프로젝트뿐만 아니라 마이카스에게도 이점을 제공하는 광범위한 경험입니다. 학부생으로서의 전기 및 컴퓨터 공학 학생인 그는 “이 프로젝트를 시작하기 전에 내 인생에서 세포를 본 적이 없었다”고 말했다. 현재 그는 시애틀을 기반으로 하는 생명공학인 Curi Bio에서 새로운 포지션을 시작할 준비를 하고 있다. 이 회사는 줄기세포 기술, 조직 바이오시스템, 인공지능을 결합하여 의약품 및 치료약의 개발을 추진하고 있습니다.

“크리스토스는 생물학을 이해하는 사람입니다. 세포의 분화와 조직의 조작을 할 수 있습니다만, 나노 기술과 구조를 제조하기 위해 공학적으로 필요한 것도 이해하고 있습니다.” 라고 화이트는 말합니다.

miniPUMP 팀의 다음 당면 목표는? 기술을 닦는다. 또한 신뢰성을 저하시키지 않고 장치를 제조하는 방법을 테스트할 계획입니다.

“매우 많은 연구 응용 프로그램이 있습니다.”라고 Chen은 말합니다. “병과 병리학을 연구하기 위해 인간의 심근에 대한 접근을 제공하는 것 외에도,이 작업은 현재 심장에 결함이있는 사람을 위해 궁극적 일 수있는 심장 패치를 만들 길을 엽니다.’

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