Bioengineer telah mengembangkan model biohibrida pertama dari bilik jantung manusia dengan sel jantung yang berdetak secara heliks. Metode ini mampu melakukan penyelarasan otot untuk memompa darah ketika kontraksi, yang menjadi harapan bagi terciptanya jantung buatan.
Penyakit kardiovaskular atau jantung merupakan penyebab nomor satu kematian di dunia. Pada 2019 saja, menurut catatan Organisasi Kesehatan Dunia (WHO mencatat adanya 17,9 juta orang yang meninggal dunia karena penyakit jantung.
Yang menjadi masalah ketika orang terkena serangan jantung, organ ini dipercaya tidak mampu memperbaiki dirinya sendiri. Oleh karena itu, diperlukan usaha keras oleh para ahli untuk mengatasi kerusakan yang terjadi setelah terjadi penyakit ini.
Pada ilmuwan berusaha untuk melakukan rekayasa jaringan jantung, namun tidak mudah. Beberapa di antaranya dilakukan dengan mengganti jantung yang kondisinya sudah sangat buruk dengan transplantasi organ baik dari individu lain ataupun dari jantung buatan.
Guna membangun jantung buatan untuk kebutuhan transplantasi, peneliti di Harvard, John A. Paulson School of Engineering And Applied Sciences (SEAS) mereplikasi atau meniru struktur unik yang membentuk jantung. Replikasi termasuk pengembangan geometri heliks, yang menciptakan gerakan memutar saat jantung berdetak.
Saat ini, bioengineer SEAS telah mengembangkan model bio hibrida pertama bilik jantung atau ventrikel manusia dengan sel jantung yang disejajarkan secara heliks. Model tersebut telah menunjukkan dalam kemampuan penyelarasan otot, yang secara dramatis meningkatkan seberapa banyak darah yang dapat dipompa oleh bilik pada setiap kontraksi.
Kemajuan model tersebut berkat metode baru manufaktur tekstil aditif dengan nama Focused Rotary Jet Spinning (FRJS), yang memungkinkan fabrikasi high-throughput serat heliks selaras dengan diameter mulai dari beberapa mikrometer hingga ratusan nanometer. Dikembangkan di SEAS oleh Kit Parker's Disease Biophysics Group, serat FRJS mengarahkan penyelarasan sel, memungkinkan pembentukan struktur rekayasa jaringan yang terkontrol.
"Pekerjaan ini merupakan langkah maju yang besar untuk bio fabrikasi organ dan membawa kami lebih dekat ke tujuan akhir untuk membangun jantung manusia untuk transplantasi," kata Kevin Kit Parker, Profesor dari Bioengineering dan Fisika Terapan di SEAS dan penulis senior makalah yang dipublikasikan pada jurnal Science.
Ia menerangkan, pada 1969, Edward Sallin, mantan ketua Departemen Biomatematika di University of Alabama Birmingham Medical School, berpendapat bahwa penyelarasan heliks jantung sangat penting untuk mencapai fraksi ejeksi yang besar persentase berapa banyak darah yang dipompa ventrikel dengan setiap kontraksi.
"Tujuan kami adalah untuk membangun model di mana kami dapat menguji hipotesis Sallin dan mempelajari kepentingan relatif dari struktur heliks jantung," kata seorang rekan pascadoktoral di SEAS dan salah satu penulis makalah ini, John Zimmerman.
Untuk menguji teori Sallin, para peneliti SEAS menggunakan sistem FRJS untuk mengontrol keselarasan serat pintal di mana mereka dapat menumbuhkan sel-sel jantung. Langkah pertama FRJS bekerja seperti mesin permen kapas (cotton candy machine) larutan polimer cair dimasukkan ke dalam reservoir dan didorong keluar melalui lubang kecil dengan gaya sentrifugal saat perangkat berputar.
Saat larutan meninggalkan reservoir, pelarut menguap, dan polimer memadat untuk membentuk serat. Kemudian, aliran udara terfokus mengontrol orientasi serat saat diendapkan pada kolektor. Tim menemukan bahwa dengan memiringkan dan memutar kolektor, serat di aliran akan sejajar dan berputar di sekitar kolektor saat berputar, meniru struktur heliks otot jantung.
"Jantung manusia sebenarnya memiliki banyak lapisan otot yang tersusun secara heliks dengan sudut penyelarasan yang berbeda," kata Huibin Chang, seorang rekan postdoctoral di SEAS dan salah satu penulis makalah ini. "Dengan FRJS, kami dapat membuat ulang struktur kompleks itu dengan cara yang sangat tepat, membentuk struktur ventrikel tunggal dan bahkan empat bilik," terangnya.
Ventrikel untuk memompa diunggulkan dengan kardiomiosit tikus atau sel kardiomiosit turunan sel induk manusia. Dalam waktu sekitar seminggu, beberapa lapisan tipis jaringan detak jantung menutupi perancah, dengan sel-sel mengikuti keselarasan serat di bawahnya. Ventrikel dapat berdetak meniru gerakan memutar atau meremas yang sama yang ada di jantung manusia.
Para peneliti membandingkan deformasi ventrikel, kecepatan sinyal listrik dan fraksi ejeksi antara ventrikel yang terbuat dari serat yang disejajarkan heliks dan yang dibuat dari serat yang disejajarkan secara melingkar. Mereka menemukan pada setiap bagian depan, jaringan yang disejajarkan secara heliks mengungguli jaringan yang disejajarkan secara melingkar.
"Sejak 2003, kelompok kami telah bekerja untuk memahami hubungan struktur-fungsi jantung dan bagaimana penyakit secara patologis mengompromikan hubungan ini," kata Parker. "Dalam hal ini, kami kembali untuk membahas pengamatan yang belum pernah diuji tentang struktur heliks arsitektur laminar jantung," ujar dia.
"Untungnya, Profesor Sallin menerbitkan prediksi teoretis lebih dari setengah abad yang lalu dan kami mampu membangun platform manufaktur baru. yang memungkinkan kami menguji hipotesisnya dan menjawab pertanyaan berabad-abad ini," tutur Chang.
Tim juga menunjukkan bahwa proses dapat ditingkatkan ke ukuran hati manusia yang sebenarnya dan bahkan lebih besar, ke ukuran jantung ikan paus Minke. Mereka tidak menyemai model yang lebih besar dengan sel karena akan membutuhkan miliaran sel kardiomiosit.
Selain bio fabrikasi, tim juga mengeksplorasi aplikasi lain untuk platform FRJS mereka, seperti kemasan makanan. Kantor Pengembangan Teknologi Harvard telah melindungi kekayaan intelektual yang berkaitan dengan proyek ini dan sedang menjajaki peluang komersialisasi. hay
Transplantasi Pilihan bagi Pasien Gagal Jantung Stadium Akhir
Tidak mudah mendapatkan jantung donor. Akibat kekurangan jantung donor, banyak pasien meninggal saat menunggu transplantasi jantung. Namun, Matthew Moore, pria berusia 39 tahun, tampaknya cukup beruntung. Dia mendapatkan berhasil mendapatkan jantung yang dikembangkan oleh ilmuwan.
Tim bedah di Duke University Hospital yang dipimpin oleh Drs. Jacob Schroder dan Carmelo Milano, pada Juli 2021, berhasil menanamkan jantung buatan generasi baru kepada Moore. Pria penderita gagal jantung tersebut menjadi orang pertama di Amerika Utara yang melakukan prosedur tersebut.
Moore berasal dari Shallotte, NC, dan dirujuk ke Duke pada bulan Juni setelah diagnosis gagal jantung secara tiba-tiba dan tak terduga. Moore dan istrinya, Rachel, baru-baru ini mengadopsi putra angkat mereka yang berusia dua tahun, Marshall, dan tiba di Duke dengan harapan hanya menjalani operasi bypass jantung.
Namun, karena kondisi Moore dengan cepat memburuk, pilihan tradisional, termasuk transplantasi, menjadi terlalu berisiko. Sementara itu, Duke University Hospital termasuk di antara hanya tiga pusat transplantasi di AS yang dipilih untuk bergabung dalam studi perangkat, dan tim prosedur menerima pelatihan khusus untuk mempersiapkan operasi implan.
"Sebagai seorang perawat, saya mengerti betapa pentingnya membawa kemajuan ini ke depan," kata Rachel Moore. "Baik Matthew dan saya sangat bersyukur bahwa kami telah diberikan kesempatan untuk berpartisipasi dalam sesuatu yang berpotensi berdampak pada begitu banyak kehidupan. Kami hanya menjalaninya hari demi hari dan berharap semuanya terus berjalan dengan baik," ungkapnya seperti dikutip laman Duke University Hospital.
Jantung buatan yang dikembangkan Carmat merupakan implan prostetik atau tiruan yang mencakup katup biologis yang berasal dari jaringan sapi. Jika perangkat menerima persetujuan Badan Pengawas Obat dan Makanan Amerika Serikat (FDA), akan menjadi jembatan untuk transplantasi bagi pasien yang membutuhkan bantuan untuk memompa darah melalui kedua bilik.
Teknologi yang diterima Moore terutama alat bantu ventrikel kiri (left-ventricular assist device /LVAD) hanya mendukung satu ruang. Program Transplantasi Jantung Duke diakui secara global tidak hanya karena volume klinisnya yang kuat, tetapi yang lebih penting, memberikan kualitas luar biasa dan perawatan pasien yang inovatif pada tingkat setinggi mungkin," kata Edward P. Chen, M.D., kepala Divisi Kardiovaskular dan Bedah Toraks.
Chan menambahkan keberhasilan implan jantung buatan Carmat merupakan yang terbaru dalam daftar panjang pencapaian oleh tim transplantasi jantung Duke. Melalui jantung buatan, lembaga ini memperluas pilihan pengobatan yang tersedia untuk pasien dengan penyakit jantung stadium akhir. hay
