- 28,386
- 46
- 8 Ноя 2022
А идею взяли у обычного музыкального инструмента.
<div class="articl-text-cover" style="position:relative;width:100%;max-width:800px;margin-left:auto;margin-right:auto;aspect-ratio:1200/676;margin-bottom:2rem;overflow:hidden">
<div itemprop="articleBody">Больше четверти века технология «лаборатория на чипе» помогает изучать человеческие органы и сосуды без экспериментов на животных. Внутри небольших устройств размещают живые клетки человека и создают для них микросреду, которая воспроизводит условия внутри организма. Такие микрофизиологические системы имитируют отдельные ткани, органы и связь между несколькими системами. С их помощью исследуют сердечно-сосудистые заболевания, проверяют действие лекарств и наблюдают за клеточными процессами.
Долгое время развитию технологии мешала одна техническая проблема. Лабораторные насосы не могли точно повторить движение крови, которое создаёт человеческое сердце. Кровоток не идёт с постоянной скоростью. Каждое сокращение сердца порождает несколько коротких импульсов и волн разной продолжительности, а давление и скорость меняются за десятки миллисекунд. Для точного воспроизведения пульса насос должен перестраивать поток примерно за 50 миллисекунд. Большинство существующих установок работают медленнее и сглаживают резкие колебания.
Форма пульсовой волны напрямую влияет на сосуды. Их внутреннюю поверхность покрывает эндотелий, тонкий слой клеток, который постоянно реагирует на давление, скорость и направление кровотока. Болезни, старение и невесомость меняют характер движения крови. Эндотелиальные клетки получают непривычную механическую нагрузку, нарушают нормальную работу и запускают процессы, связанные с развитием сосудистых заболеваний.
Инженеры создали автоматизированную перфузионную систему HemaDyne, которая воспроизводит зарегистрированный кровоток в любом сосуде и при разных состояниях организма. Перфузией называют управляемую подачу жидкости через ткани, сосудистые модели или лабораторные чипы. HemaDyne получает данные обследования пациента, преобразует запись пульсовой волны в последовательность команд и повторяет тот же режим движения жидкости внутри микрофизиологической системы.
Лаборатория получает не усреднённый поток, а модель кровообращения конкретного человека. Исследователи могут наблюдать, как клетки эндотелия реагируют на определённую скорость, давление и последовательность импульсов. Такой эксперимент помогает проследить ранние сосудистые нарушения ещё до появления выраженных симптомов.
Внутрь чипа можно поместить клетки пациента и проверить несколько препаратов при его собственном режиме кровотока. Врачи и фармакологи смогут сравнить реакцию тканей на разные лекарства и определить, какое средство лучше подавляет патологические процессы. Метод может помочь подобрать лечение до того, как изменения в сосудах приведут к хроническому заболеванию.
Основную идею подсказал аккордеон. Инженеры заметили, как мехи в центральной части инструмента быстро расширяются и сжимаются, создавая перепады давления воздуха. Похожая конструкция используется в фисгармонии, клавишном духовом инструменте, распространённом в индийской музыке. Складчатые стенки позволяют менять давление быстро и без большого усилия.
Пневматические насосы давно применяют в лабораториях, но обычные модели не используют меховую конструкцию. Они предположили, что складчатая камера сможет быстро сжиматься и расширяться, а возникающие перепады давления будут управлять потоком жидкости.
Для первых опытов не понадобился дорогой аккордеон. Подходящую форму нашли у пластиковых складных бутылочек для клея, которые стоят меньше одного доллара. Их стенки складываются и расправляются по тому же механическому принципу, что и мехи музыкального инструмента. Небольшую ёмкость превратили в камеру, способную создавать быстрые и точно заданные колебания давления.
Управление камерой собрали на основе технологий, которые используют 3D-принтеры. Такие устройства получают команды на языке G-code. Он задаёт направление движения механизмов, скорость, расстояние и момент выполнения каждой операции.
Записанную у пациента пульсовую волну переводят в цифровую последовательность, а затем преобразуют в команды G-code. Программа управляет сжатием складчатой камеры и заставляет насос повторять нужные изменения давления. Настройки можно менять для разных сосудов, частоты сердечных сокращений, особенностей пульса и нарушений кровообращения.
Складчатая ёмкость, механика 3D-принтера и программное управление дали системе скорость, которой не хватало прежним перфузионным установкам. HemaDyne воспроизводит отдельные импульсы и сложные последовательности колебаний, а поток меняется за очень короткие интервалы.
Насос можно подключать к разным моделям органов, если их работа зависит от кровоснабжения, давления или ритмической подачи питательной среды. Компактная система поддерживает длительные эксперименты и может работать несколько месяцев подряд.
Продолжительные наблюдения нужны при изучении хронических заболеваний, старения и рака. Многие клеточные нарушения развиваются постепенно, поэтому короткий опыт показывает лишь начальный фрагмент процесса. Стабильный поток с заданной пульсовой волной позволяет увидеть, как ткани приспосабливаются к неблагоприятным условиям, когда появляются первые отклонения и как лекарства меняют их развитие.
HemaDyne также планируют применять в космической медицине. Микрофизиологические системы можно отправить на орбиту, поддерживать их работу во время полёта и вернуть на Землю для анализа. Такой формат позволит изучать влияние невесомости на сосуды и другие ткани без дополнительных медицинских процедур для астронавтов.
На Земле сила тяжести влияет на распределение крови по организму. В невесомости жидкость перемещается иначе, поэтому сердечно-сосудистая система приспосабливается к новой нагрузке. После возвращения начинается обратная адаптация. Лабораторная модель поможет отдельно оценить влияние микрогравитации, продолжительности полёта и индивидуальных особенностей организма.
Разработку поддержало NASA. Агентство рассматривает микрофизиологические системы как один из инструментов подготовки пилотируемых миссий к Марсу. Длительный перелёт потребует заранее изучить, как месяцы или годы в космосе влияют на сердце, сосуды, старение клеток и вероятность заболеваний. Полноценные клинические исследования во время межпланетной миссии провести нельзя, поэтому компактные чипы с человеческими клетками смогут заменить часть экспериментов на людях и животных.
Программируемый насос также может повысить точность доклинических испытаний лекарств. Многие препараты успешно проходят проверку на обычных клеточных культурах или животных, но позже не дают ожидаемого результата у людей. Модель человеческого кровотока позволит раньше заметить слабое действие лекарства или нежелательную реакцию тканей.
В ближайшие пять лет разработчики хотят повысить надёжность системы и выработать единые стандарты работы. После этого HemaDyne сможет помогать при подготовке клинических испытаний. Препараты с низкой эффективностью или опасным воздействием на человеческие клетки будут отсеивать до перехода к дорогим исследованиям с участием пациентов.
HemaDyne объединяет механику складной бутылочки, систему управления 3D-принтера и данные реального пациента. Насос повторяет пульсовую волну в лаборатории и позволяет изучать сосудистые болезни, действие лекарств и влияние невесомости в условиях, близких к работе человеческого организма. Сейчас разработчики оформляют патент на устройство.
<div class="articl-text-cover" style="position:relative;width:100%;max-width:800px;margin-left:auto;margin-right:auto;aspect-ratio:1200/676;margin-bottom:2rem;overflow:hidden">
<div itemprop="articleBody">Больше четверти века технология «лаборатория на чипе» помогает изучать человеческие органы и сосуды без экспериментов на животных. Внутри небольших устройств размещают живые клетки человека и создают для них микросреду, которая воспроизводит условия внутри организма. Такие микрофизиологические системы имитируют отдельные ткани, органы и связь между несколькими системами. С их помощью исследуют сердечно-сосудистые заболевания, проверяют действие лекарств и наблюдают за клеточными процессами.
Долгое время развитию технологии мешала одна техническая проблема. Лабораторные насосы не могли точно повторить движение крови, которое создаёт человеческое сердце. Кровоток не идёт с постоянной скоростью. Каждое сокращение сердца порождает несколько коротких импульсов и волн разной продолжительности, а давление и скорость меняются за десятки миллисекунд. Для точного воспроизведения пульса насос должен перестраивать поток примерно за 50 миллисекунд. Большинство существующих установок работают медленнее и сглаживают резкие колебания.
Форма пульсовой волны напрямую влияет на сосуды. Их внутреннюю поверхность покрывает эндотелий, тонкий слой клеток, который постоянно реагирует на давление, скорость и направление кровотока. Болезни, старение и невесомость меняют характер движения крови. Эндотелиальные клетки получают непривычную механическую нагрузку, нарушают нормальную работу и запускают процессы, связанные с развитием сосудистых заболеваний.
Инженеры создали автоматизированную перфузионную систему HemaDyne, которая воспроизводит зарегистрированный кровоток в любом сосуде и при разных состояниях организма. Перфузией называют управляемую подачу жидкости через ткани, сосудистые модели или лабораторные чипы. HemaDyne получает данные обследования пациента, преобразует запись пульсовой волны в последовательность команд и повторяет тот же режим движения жидкости внутри микрофизиологической системы.
Лаборатория получает не усреднённый поток, а модель кровообращения конкретного человека. Исследователи могут наблюдать, как клетки эндотелия реагируют на определённую скорость, давление и последовательность импульсов. Такой эксперимент помогает проследить ранние сосудистые нарушения ещё до появления выраженных симптомов.
Внутрь чипа можно поместить клетки пациента и проверить несколько препаратов при его собственном режиме кровотока. Врачи и фармакологи смогут сравнить реакцию тканей на разные лекарства и определить, какое средство лучше подавляет патологические процессы. Метод может помочь подобрать лечение до того, как изменения в сосудах приведут к хроническому заболеванию.
Основную идею подсказал аккордеон. Инженеры заметили, как мехи в центральной части инструмента быстро расширяются и сжимаются, создавая перепады давления воздуха. Похожая конструкция используется в фисгармонии, клавишном духовом инструменте, распространённом в индийской музыке. Складчатые стенки позволяют менять давление быстро и без большого усилия.
Пневматические насосы давно применяют в лабораториях, но обычные модели не используют меховую конструкцию. Они предположили, что складчатая камера сможет быстро сжиматься и расширяться, а возникающие перепады давления будут управлять потоком жидкости.
Для первых опытов не понадобился дорогой аккордеон. Подходящую форму нашли у пластиковых складных бутылочек для клея, которые стоят меньше одного доллара. Их стенки складываются и расправляются по тому же механическому принципу, что и мехи музыкального инструмента. Небольшую ёмкость превратили в камеру, способную создавать быстрые и точно заданные колебания давления.
Управление камерой собрали на основе технологий, которые используют 3D-принтеры. Такие устройства получают команды на языке G-code. Он задаёт направление движения механизмов, скорость, расстояние и момент выполнения каждой операции.
Записанную у пациента пульсовую волну переводят в цифровую последовательность, а затем преобразуют в команды G-code. Программа управляет сжатием складчатой камеры и заставляет насос повторять нужные изменения давления. Настройки можно менять для разных сосудов, частоты сердечных сокращений, особенностей пульса и нарушений кровообращения.
Складчатая ёмкость, механика 3D-принтера и программное управление дали системе скорость, которой не хватало прежним перфузионным установкам. HemaDyne воспроизводит отдельные импульсы и сложные последовательности колебаний, а поток меняется за очень короткие интервалы.
Насос можно подключать к разным моделям органов, если их работа зависит от кровоснабжения, давления или ритмической подачи питательной среды. Компактная система поддерживает длительные эксперименты и может работать несколько месяцев подряд.
Продолжительные наблюдения нужны при изучении хронических заболеваний, старения и рака. Многие клеточные нарушения развиваются постепенно, поэтому короткий опыт показывает лишь начальный фрагмент процесса. Стабильный поток с заданной пульсовой волной позволяет увидеть, как ткани приспосабливаются к неблагоприятным условиям, когда появляются первые отклонения и как лекарства меняют их развитие.
HemaDyne также планируют применять в космической медицине. Микрофизиологические системы можно отправить на орбиту, поддерживать их работу во время полёта и вернуть на Землю для анализа. Такой формат позволит изучать влияние невесомости на сосуды и другие ткани без дополнительных медицинских процедур для астронавтов.
На Земле сила тяжести влияет на распределение крови по организму. В невесомости жидкость перемещается иначе, поэтому сердечно-сосудистая система приспосабливается к новой нагрузке. После возвращения начинается обратная адаптация. Лабораторная модель поможет отдельно оценить влияние микрогравитации, продолжительности полёта и индивидуальных особенностей организма.
Разработку поддержало NASA. Агентство рассматривает микрофизиологические системы как один из инструментов подготовки пилотируемых миссий к Марсу. Длительный перелёт потребует заранее изучить, как месяцы или годы в космосе влияют на сердце, сосуды, старение клеток и вероятность заболеваний. Полноценные клинические исследования во время межпланетной миссии провести нельзя, поэтому компактные чипы с человеческими клетками смогут заменить часть экспериментов на людях и животных.
Программируемый насос также может повысить точность доклинических испытаний лекарств. Многие препараты успешно проходят проверку на обычных клеточных культурах или животных, но позже не дают ожидаемого результата у людей. Модель человеческого кровотока позволит раньше заметить слабое действие лекарства или нежелательную реакцию тканей.
В ближайшие пять лет разработчики хотят повысить надёжность системы и выработать единые стандарты работы. После этого HemaDyne сможет помогать при подготовке клинических испытаний. Препараты с низкой эффективностью или опасным воздействием на человеческие клетки будут отсеивать до перехода к дорогим исследованиям с участием пациентов.
HemaDyne объединяет механику складной бутылочки, систему управления 3D-принтера и данные реального пациента. Насос повторяет пульсовую волну в лаборатории и позволяет изучать сосудистые болезни, действие лекарств и влияние невесомости в условиях, близких к работе человеческого организма. Сейчас разработчики оформляют патент на устройство.
- Источник новости
- www.securitylab.ru
