Анкит Кумар мялся у двери кабинета своего научного руководителя в Техасском университете A&M, гадая, несёт он прорыв или провал. Идея, которую он собирался изложить, казалась слишком неожиданной. Кумар рассказал, что, возможно, нашёл разгадку биомеханической задачи, мучившей профессора годами. С осторожным оптимизмом он описал уличного аккордеониста, которого увидел за окном.

Профессор Абхишек Джейн сначала растерялся, но быстро понял. Внутреннее устройство этого редкого инструмента могло помочь наконец воспроизвести волновые формы кровотока человеческого сердца. Вместе они разработали устройство, которое, по их мнению, пригодится в исследованиях — от клинических испытаний до космической медицины.

«Это было блестяще, — сказал Джейн об идее Кумара. — Мы поняли, что наткнулись на нечто невероятно ценное».

Устройство назвали Hemadyne. Оно воспроизводит записанные у пациентов волновые формы кровотока в микрофизиологических чипах. Живой эндотелиальный сосудистый чип проработал с ним 60 дней. Hemadyne имитирует даже кратковременный обратный поток крови во время диастолы — и это меняет поведение белков межклеточных контактов.

Стабильность потока у Hemadyne выше, чем у шприцевых и перистальтических насосов, и сравнима с системами Elveflow. Среди возможных применений — клинические испытания, сосудистые аватары и исследования микрогравитации в NASA.

Идея пришла не из лаборатории, а с улицы. В 2020 году Абхишек Джайн, адъюнкт-профессор биомедицинской инженерии Техасского университета A&M, увидел уличного аккордеониста и подумал: а что, если механика этого инструмента поможет воспроизвести ток крови в сердце? Так началась работа над устройством Hemadyne — компактным насосом, который сегодня умеет имитировать сложнейшие волновые формы кровотока человека.

Почему сердце так трудно скопировать

Кровоток в сосудах — не ровный ручеёк. Это сложный сигнал с множеством частот и амплитуд, меняющихся каждую секунду. Даже небольшие изменения в этих волнах влияют на эндотелиальные клетки, выстилающие сосуды изнутри, и могут провоцировать инфекции, болезни почек и сердечно-сосудистые патологии. Изучать такие волны вне тела учёные пытались с помощью микрофизиологических систем (MPS) — миниатюрных чипов, имитирующих органы. Первые MPS появились ещё в начале 2000-х, а к 2010 году исследователи создали первый «орган на чипе». Но воспроизвести точную гемодинамику на этих устройствах долго не удавалось.

Обычно жидкость через чипы прокачивают шприцевыми или пневматическими насосами. Однако, по словам Джайна, ни одна из этих технологий не способна передать сложность, временную скорость и разрешение реального кровотока. Нужен был принципиально другой подход.

От гармоники до G-кода

Джайн и его коллега, докторант Кумар, выросли в Индии, где популярны гармоники — инструменты, похожие на аккордеон. Музыкант одной рукой сжимает и разжимает мехи, а другой управляет клавишами, создавая мелодию. Исследователи предположили: если применить ту же физику к насосу, можно получить не музыку, а точное движение жидкости.

Так появился Hemadyne. Устройство описано в недавней статье в Nature Communications. Оно способно воспроизвести любую волновую форму кровотока, записанную у реальных пациентов в клинике. В эксперименте Hemadyne подключили к живому сосудистому чипу с нормальными эндотелиальными клетками — и чип оставался живым и функциональным 60 дней.

Но самое интересное — устройство умеет создавать транзиторный диастолический обратный ток. Это кратковременное снижение скорости жидкости до отрицательных значений, которое чаще встречается в сосудах, потерявших эластичность с возрастом, и может вести к инсульту. Чтобы воспроизвести такие обратные потоки, исследователи встроили ПИД-регулятор, который следит за потоком внутри чипа и корректирует его в реальном времени.

Дэвид Эддингтон, профессор биоинженерии Иллинойсского университета в Чикаго, не участвовавший в работе, отметил: когда исследователи добились отрицательного потока, они увидели реальные биологические последствия — изменилось поведение белков клеточных контактов. По его словам, это первая публикация, и если в дальнейшем подтвердится, что для достоверного моделирования нужны именно такие «причудливые» волны, научное сообщество поверит в подход.

Как аккордеон превратился в насос

После той уличной сцены Джайн и Кумар всерьёз взялись за идею. Они вернулись к уличному музыканту, пересмотрели видео игры на аккордеоне и гармонике, а в университетской библиотеке нашли труды возрастом 1800 лет, описывающие конструкцию аккордеона. Часть литературы была на латыни и европейских языках — пришлось переводить, чтобы разобраться в физике инструмента.

Затем исследователи купили одноунциевый клеевой дозатор аккордеонного типа — по сути, те же меха. Но мехов мало: нужен был механизм, превращающий давление воздуха в поток жидкости, и программное обеспечение для управления движением. Кумар написал алгоритм, который конвертирует измерения кровотока пациента в геометрический код (G-код) — язык, которым управляются 3D-принтеры. По сути, для Hemadyne создаются инструкции, как печатать волны.

Энн Стейплс, адъюнкт-профессор механической инженерии Вирджинского технологического института, назвала такой подход «очень крутым»: использование G-кода для управления плунжером она видит впервые.

В сравнительных тестах стабильность потока Hemadyne оказалась выше, чем у шприцевых и перистальтических насосов, и близка к системе Elveflow — пьезоэлектрическому пневматическому насосу, которому нужен внешний источник воздуха. При этом Hemadyne воспроизводил сложную перфузию для MPS-чипов быстрее всех трёх существующих насосов.

Мехам Hemadyne требуется подзарядка воздухом один-два раза в день. Встроенный клапан автоматически отключает сосудистый чип и подключает аккордеонную ёмкость к фильтрованному воздуху из небольшого резервуара под давлением.

Компактность, космос и клинические испытания

Эддингтон считает, что малые размеры Hemadyne — преимущество перед вакуумными насосами с громоздкими газовыми баллонами, которые стоят в большинстве лабораторий. «К их насосу ничего не нужно подключать. Он больше похож на шприцевой насос, который можно поставить куда угодно», — пояснил он.

Такая мобильность открывает путь к дистанционному анализу на месте. Джайн рассказал, что NASA заинтересовано в долговечных MPS-системах, чтобы не отправлять животных в космос для изучения влияния микрогравитации и космической радиации на сосуды астронавтов. В этом контексте вспоминаются эксперименты, когда зверинец на орбите принимал удар радиации за людей, чтобы выяснить последствия для будущих марсианских миссий.

Исследователи уже подали патент и надеются коммерциализировать устройство. По словам Джайна, Hemadyne может помочь и в клинических испытаниях: он способен поддерживать «сосудистые аватары» — чипы с сосудами конкретного пациента, позволяя врачам видеть, как разные лекарства влияют на кровоток.

Джайн до сих пор немного удивлён, вспоминая тот день, когда они с Кумаром впервые поняли, что аккордеонный насос может сработать. Но он уверен: идея, родившаяся из уличной музыки, ещё покажет себя в медицине и за её пределами.

Устройство Hemadyne, созданное исследователями из Техасского университета A&M, воспроизводит сложные волновые формы кровотока человеческого сердца. Идея родилась, когда один из учёных увидел уличного аккордеониста. Механика мехов аккордеона подсказала, как можно точно имитировать пульсации сердечно-сосудистой системы.

В лабораторных условиях Hemadyne поддерживал живой сосудистый чип в течение 60 дней. Это открывает перспективы для клинических испытаний и космической медицины, где точное воспроизведение кровотока критически важно.

Разработка уже вызвала интерес у специалистов: точная имитация гемодинамики позволяет тестировать лекарства и изучать болезни сосудов без риска для пациентов. Пока устройство проходит ранние стадии, но его потенциал для персонализированной медицины очевиден.