मिनी-हार्ट चैंबर असली चीज़ की तरह ही अपने आप धड़कता है

नैनोइंजीनियर भागों और मानव हृदय ऊतक के संयोजन से निर्मित हृदय कक्ष की एक लघु प्रतिकृति हृदय का अध्ययन करने का एक नया तरीका प्रदान करती है।

मानव हृदय को करीब से देखने का कोई सुरक्षित तरीका नहीं है क्योंकि यह अपने काम के बारे में जाता है: आप इसे केवल पॉप आउट नहीं कर सकते हैं, एक नज़र डाल सकते हैं, फिर इसे वापस अंदर कर सकते हैं।

वैज्ञानिकों ने इस मूलभूत समस्या को हल करने के लिए विभिन्न तरीकों की कोशिश की है: उन्होंने शवों के दिलों को मशीनों से जोड़ दिया है ताकि उन्हें फिर से पंप किया जा सके, प्रयोगशाला में विकसित हृदय के ऊतकों को स्प्रिंग्स से जोड़ा जा सके ताकि उन्हें विस्तार और अनुबंध किया जा सके। प्रत्येक दृष्टिकोण में इसकी खामियां हैं: पुनर्जीवित दिल केवल कुछ घंटों के लिए ही धड़क सकते हैं; स्प्रिंग्स वास्तविक पेशी पर काम करने वाले बलों की नकल नहीं कर सकते हैं।

लेकिन इस महत्वपूर्ण अंग की बेहतर समझ प्राप्त करना अत्यावश्यक है। सेंटर फॉर डिजीज कंट्रोल एंड प्रिवेंशन के मुताबिक, अमेरिका में हर 36 सेकेंड में दिल की बीमारी से किसी की मौत हो जाती है।

हृदय कक्ष की नई लघु प्रतिकृति में कोई स्प्रिंग्स या बाहरी शक्ति स्रोत नहीं हैं – वास्तविक चीज़ की तरह, यह बस अपने आप धड़कता है, जो स्टेम कोशिकाओं से उगाए गए जीवित हृदय ऊतक द्वारा संचालित होता है। यह उपकरण शोधकर्ताओं को इस बारे में अधिक सटीक दृष्टिकोण दे सकता है कि अंग कैसे काम करता है, उन्हें यह ट्रैक करने की अनुमति देता है कि भ्रूण में हृदय कैसे बढ़ता है, बीमारी के प्रभाव का अध्ययन करता है, और नए उपचारों की संभावित प्रभावशीलता और दुष्प्रभावों का परीक्षण करता है – सभी शून्य जोखिम पर रोगियों और एक प्रयोगशाला छोड़ने के बिना।

गैजेट के पीछे की टीम – उपनाम दिया गया मिनीपम्प, और आधिकारिक तौर पर कार्डियक मिनिएचराइज्ड प्रिसिजन-इनेबल्ड यूनिडायरेक्शनल माइक्रोफ्लुइडिक पंप के रूप में जाना जाता है – का कहना है कि तकनीक फेफड़ों से लेकर किडनी तक अन्य अंगों के लैब-आधारित संस्करणों के निर्माण का मार्ग प्रशस्त कर सकती है।

बोस्टन यूनिवर्सिटी कॉलेज ऑफ इंजीनियरिंग में मैकेनिकल इंजीनियरिंग के प्रोफेसर और अध्यक्ष एलिस व्हाइट कहते हैं, “हम इस तरह से बीमारी की प्रगति का अध्ययन कर सकते हैं जो पहले संभव नहीं था।” “हमने विशेष रूप से जटिल यांत्रिकी के कारण हृदय ऊतक पर काम करना चुना, लेकिन हमने दिखाया कि, जब आप नैनो तकनीक लेते हैं और ऊतक इंजीनियरिंग से शादी करते हैं, तो कई अंगों के लिए इसे दोहराने की संभावना होती है।”

आपके दिल के साथ बहुत कुछ गलत हो सकता है

शोधकर्ताओं का कहना है कि यह उपकरण अंततः दवा विकास प्रक्रिया को तेज कर सकता है, जिससे यह तेज और सस्ता हो जाएगा। लाखों खर्च करने के बजाय – और संभवतः दशकों – विकास पाइपलाइन के माध्यम से एक औषधीय दवा को स्थानांतरित करने के लिए केवल यह देखने के लिए कि यह लोगों में परीक्षण किए जाने पर अंतिम बाधा पर गिरती है, शोधकर्ता शुरुआत में मिनीपंप का उपयोग सफलता या विफलता की बेहतर भविष्यवाणी करने के लिए कर सकते हैं।

यह परियोजना सेल-मेट का हिस्सा है, जो सेल्युलर मेटामटेरियल्स में एक बहु-संस्थागत नेशनल साइंस फाउंडेशन इंजीनियरिंग रिसर्च सेंटर है, जिसका नेतृत्व बोस्टन विश्वविद्यालय कर रहा है। केंद्र का लक्ष्य रोगग्रस्त मानव हृदय ऊतक को पुन: उत्पन्न करना है, नई दवाओं का परीक्षण करने के लिए वैज्ञानिकों और उद्योग विशेषज्ञों का एक समुदाय बनाना और दिल के दौरे या बीमारी से क्षतिग्रस्त दिल के लिए कृत्रिम प्रत्यारोपण योग्य पैच बनाना है।

“हृदय रोग संयुक्त राज्य अमेरिका में मृत्यु का नंबर एक कारण है, हम सभी को छू रहा है,” व्हाइट कहते हैं। “आज, दिल के दौरे का कोई इलाज नहीं है। सेल-मेट का विजन इसे बदलना है।”

बहुत कुछ है जो आपके दिल के साथ गलत हो सकता है। जब यह चारों सिलिंडरों पर ठीक से फ़ायरिंग कर रहा होता है, तो हृदय के दो ऊपरी और दो निचले कक्ष आपके रक्त को प्रवाहित करते रहते हैं ताकि ऑक्सीजन युक्त रक्त आपके शरीर को प्रसारित और पोषित करे। लेकिन जब बीमारी आती है, तो आपके दिल से रक्त ले जाने वाली धमनियां संकीर्ण या अवरुद्ध हो सकती हैं, वाल्व लीक हो सकते हैं या खराब हो सकते हैं, हृदय की मांसपेशी पतली या मोटी हो सकती है, या विद्युत संकेत कम हो सकते हैं, जिससे बहुत अधिक – या बहुत कम – धड़कन हो सकती है। अनियंत्रित, हृदय रोग से बेचैनी हो सकती है – जैसे सांस फूलना, थकान, सूजन और सीने में दर्द – और, कई लोगों के लिए, मृत्यु।

बायोमेडिकल इंजीनियरिंग के प्रोफेसर क्रिस्टोफर चेन कहते हैं, “हृदय जटिल ताकतों का अनुभव करता है क्योंकि यह हमारे शरीर के माध्यम से रक्त पंप करता है।” “और जब हम जानते हैं कि असामान्य ताकतों के जवाब में हृदय की मांसपेशियों में बदतर परिवर्तन होता है – उदाहरण के लिए, उच्च रक्तचाप या वाल्व रोग के कारण – इन रोग प्रक्रियाओं की नकल और अध्ययन करना मुश्किल हो गया है। यही कारण है कि हम एक छोटा हृदय कक्ष बनाना चाहते थे।”

सिर्फ 3 वर्ग सेंटीमीटर में, मिनीपंप एक डाक टिकट से ज्यादा बड़ा नहीं है। मानव हृदय वेंट्रिकल की तरह कार्य करने के लिए निर्मित – या पेशी निचला कक्ष – इसके कस्टम-निर्मित घटकों को 3 डी-मुद्रित प्लास्टिक के पतले टुकड़े पर फिट किया जाता है। लघु ऐक्रेलिक वाल्व हैं, जो तरल के प्रवाह को नियंत्रित करने के लिए खुलते और बंद होते हैं – इस मामले में, रक्त के बजाय – और छोटी नलियां, उस तरल पदार्थ को धमनियों और नसों की तरह फ़नल करती हैं। और एक कोने में धड़कते हुए, मांसपेशी कोशिकाएं जो हृदय के ऊतकों को अनुबंधित करती हैं, कार्डियोमायोसाइट्स, स्टेम सेल तकनीक का उपयोग करके बनाई गई हैं।

“वे प्रेरित प्लुरिपोटेंट स्टेम सेल का उपयोग करके उत्पन्न होते हैं,” पोस्टडॉक्टरल शोधकर्ता क्रिस्टोस माइकस कहते हैं, जिन्होंने अपनी पीएचडी थीसिस के हिस्से के रूप में मिनीपम्प के विकास को डिजाइन और नेतृत्व किया।

कार्डियोमायोसाइट बनाने के लिए, शोधकर्ता एक वयस्क से एक कोशिका लेते हैं – यह एक त्वचा कोशिका, रक्त कोशिका, या किसी अन्य कोशिका के बारे में हो सकती है – इसे भ्रूण जैसे स्टेम सेल में पुन: प्रोग्राम करें, फिर इसे हृदय कोशिका में बदल दें।

डिवाइस को सचमुच दिल देने के अलावा, माइकास का कहना है कि कार्डियोमायोसाइट्स भी सिस्टम को अग्रणी व्यक्तिगत दवाओं की मदद करने में भारी क्षमता प्रदान करते हैं। उदाहरण के लिए, शोधकर्ता डिवाइस में एक रोगग्रस्त ऊतक रख सकते हैं, फिर उस ऊतक पर एक दवा का परीक्षण कर सकते हैं और देख सकते हैं कि इसकी पंपिंग क्षमता कैसे प्रभावित होती है।

“इस प्रणाली के साथ, यदि मैं आपसे कोशिकाएँ लेता हूँ, तो मैं देख सकता हूँ कि दवा आप पर कैसे प्रतिक्रिया करेगी, क्योंकि ये आपकी कोशिकाएँ हैं,” माइकास कहते हैं। “यह प्रणाली दिल के कुछ कार्यों को बेहतर ढंग से दोहराती है, लेकिन साथ ही, हमें अलग-अलग इंसानों की लचीलापन देती है जो इसे दोहराती है। यह देखने के लिए एक अधिक भविष्य कहनेवाला मॉडल है कि मनुष्यों में क्या होगा – वास्तव में मनुष्यों में आए बिना। ”

माइकास का कहना है कि इससे वैज्ञानिकों को नैदानिक ​​​​परीक्षणों में जाने से बहुत पहले एक नई हृदय रोग दवा की सफलता की संभावना का आकलन करने की अनुमति मिल सकती है। कई ड्रग उम्मीदवार अपने प्रतिकूल दुष्प्रभावों के कारण असफल हो जाते हैं।

“शुरुआत में, जब हम अभी भी कोशिकाओं के साथ खेल रहे हैं, हम इन उपकरणों को पेश कर सकते हैं और नैदानिक ​​​​परीक्षणों में क्या होगा, इसकी अधिक सटीक भविष्यवाणियां कर सकते हैं। इसका मतलब यह भी होगा कि दवाओं के कम दुष्प्रभाव हो सकते हैं।”

मानव बाल से भी पतला

MiniPUMP के प्रमुख हिस्सों में से एक ऐक्रेलिक मचान है जो हृदय के ऊतकों को सिकुड़ता है और उनके साथ चलता है। अति सूक्ष्म संकेंद्रित सर्पिलों की एक श्रृंखला – मानव बाल की तुलना में पतली – क्षैतिज छल्ले से जुड़ी, मचान एक कलात्मक पिस्टन की तरह दिखती है। यह पहेली का एक अनिवार्य टुकड़ा है, जो हृदय कोशिकाओं को संरचना देता है – जो इसके बिना सिर्फ एक निराकार बूँद होगी – लेकिन उन पर कोई सक्रिय बल नहीं लगाती है।

बोस्टन यूनिवर्सिटी के बायोलॉजिकल डिज़ाइन सेंटर के निदेशक और हार्वर्ड यूनिवर्सिटी के वाइस इंस्टीट्यूट फॉर बायोलॉजिकल इंस्पायर्ड इंजीनियरिंग में एसोसिएट फैकल्टी मेंबर चेन कहते हैं, “हमें नहीं लगता कि हार्ट टिश्यू के अध्ययन के पिछले तरीके आपके शरीर में मांसपेशियों की प्रतिक्रिया को पकड़ लेते हैं।” “यह हमें कुछ ऐसा बनाने का पहला मौका देता है जो यंत्रवत् रूप से वैसा ही है जैसा हम सोचते हैं कि दिल वास्तव में अनुभव कर रहा है – यह एक बड़ा कदम है।”

प्रत्येक छोटे घटक को प्रिंट करने के लिए, टीम ने टू-फोटॉन डायरेक्ट लेजर राइटिंग नामक एक प्रक्रिया का उपयोग किया – 3 डी प्रिंटिंग का अधिक सटीक संस्करण। जब प्रकाश को एक तरल राल में बीमित किया जाता है, तो यह जिन क्षेत्रों को छूता है वे ठोस हो जाते हैं; क्योंकि प्रकाश को इतनी सटीकता के साथ लक्षित किया जा सकता है – एक छोटे से स्थान पर केंद्रित – मिनीपम्प में कई घटकों को माइक्रोन में मापा जाता है, जो धूल के कण से छोटा होता है।

छोटा हृदय कक्ष

पंप को आदमकद या बड़े के बजाय इतना छोटा बनाने का निर्णय जानबूझकर किया गया था और इसके कामकाज के लिए महत्वपूर्ण है।

व्हाइट कहते हैं, “संरचनात्मक तत्व इतने महीन होते हैं कि जो चीजें आमतौर पर कठोर होती हैं वे लचीली होती हैं।” सादृश्य से, ऑप्टिकल फाइबर के बारे में सोचें: एक कांच की खिड़की बहुत कड़ी होती है, लेकिन आप अपनी उंगली के चारों ओर एक ग्लास ऑप्टिकल फाइबर लपेट सकते हैं। ऐक्रेलिक बहुत कठोर हो सकता है, लेकिन मिनीपम्प में शामिल पैमाने पर, ऐक्रेलिक मचान को बीटिंग कार्डियोमायोसाइट्स द्वारा संकुचित किया जा सकता है। ”

चेन कहते हैं, “पंप के पैमाने से पता चलता है कि बेहतर प्रिंटिंग आर्किटेक्चर के साथ, आप कोशिकाओं के अधिक जटिल संगठन बनाने में सक्षम हो सकते हैं।”

फिलहाल, जब शोधकर्ता कोशिकाओं को बनाने की कोशिश करते हैं, तो वे कहते हैं, चाहे हृदय कोशिकाएं हों या यकृत कोशिकाएं, वे सभी अव्यवस्थित हैं- “संरचना प्राप्त करने के लिए, आपको अपनी उंगलियों को पार करना होगा और आशा है कि कोशिकाएं कुछ बनाएं।” इसका मतलब है कि मिनीपम्प में अग्रणी ऊतक मचान में हृदय से परे बड़े संभावित प्रभाव होते हैं, जो गुर्दे से फेफड़ों तक अन्य अंगों-ऑन-ए-चिप की नींव रखते हैं।

एक स्नातक के रूप में एक इलेक्ट्रिकल और कंप्यूटर इंजीनियरिंग छात्र, मीकास कहते हैं कि उन्होंने “इस परियोजना को शुरू करने से पहले मेरे जीवन में कभी भी कोशिकाओं को नहीं देखा।” अब, वह सिएटल स्थित बायोटेक क्यूरी बायो के साथ एक नई स्थिति शुरू करने की तैयारी कर रहा है, जो एक कंपनी है जो दवाओं और चिकित्सा विज्ञान के विकास को शक्ति देने के लिए स्टेम सेल प्रौद्योगिकी, ऊतक बायोसिस्टम और कृत्रिम बुद्धि को जोड़ती है।

“क्रिस्टोस कोई है जो जीव विज्ञान को समझता है,” व्हाइट कहते हैं, “सेल भेदभाव और ऊतक हेरफेर कर सकते हैं, लेकिन यह भी समझते हैं कि नैनो तकनीक और संरचना को गढ़ने के लिए इंजीनियरिंग तरीके से क्या आवश्यक है।”

MiniPUMP टीम के लिए अगला तात्कालिक लक्ष्य? प्रौद्योगिकी को परिष्कृत करने के लिए। वे इसकी विश्वसनीयता से समझौता किए बिना डिवाइस के निर्माण के तरीकों का परीक्षण करने की भी योजना बना रहे हैं।

“बहुत सारे शोध अनुप्रयोग हैं,” चेन कहते हैं। “बीमारी और विकृति का अध्ययन करने के लिए हमें मानव हृदय की मांसपेशियों तक पहुंच प्रदान करने के अलावा, यह कार्य हृदय पैच बनाने का मार्ग प्रशस्त करता है जो अंततः किसी ऐसे व्यक्ति के लिए हो सकता है जिसके वर्तमान हृदय में दोष था।”

अध्ययन . में प्रकाशित हुआ है विज्ञान अग्रिम. अतिरिक्त सह-लेखक फ्लोरिडा अंतर्राष्ट्रीय विश्वविद्यालय और बोस्टन विश्वविद्यालय से हैं।

स्रोत: बोस्टन विश्वविद्यालय के लिए एंड्रयू थर्स्टन

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