Исследователи во главе с биомедицинскими инженерами из Университета Тафтса изобрели микрофлюидный чип, содержащий сердечные клетки, который способен имитировать гипоксические состояния после сердечного приступа, особенно когда артерия блокируется в сердце, а затем разблокируется после лечения. Микросхема содержит мультиплексированные массивы электронных датчиков, размещенных снаружи и внутри ячеек, которые могут обнаруживать повышение и падение напряжения на отдельных клеточных мембранах, а также волны напряжения, движущиеся по клеточному слою, которые заставляют клетки в унисон биться в микросхеме. так же, как они делают в сердце. После снижения уровня кислорода в жидкости внутри устройства датчики обнаруживают начальный период тахикардии (ускоренную частоту сердечных сокращений), за которым следует снижение частоты сердечных сокращений и, в конечном итоге, аритмия, которая имитирует остановку сердца.
Исследование, опубликованное в Nano Letters , является значительным шагом вперед к пониманию электрофизиологических реакций на клеточном уровне на ишемические сердечные приступы и может быть применено к будущей разработке лекарств. Американское химическое общество выбрало этот документ в качестве редакции и доступно в открытом доступе.
Сердечно-сосудистые заболевания (ССЗ) остаются основной причиной смерти во всем мире, при этом большинство пациентов страдают от ишемии сердца, которая возникает, когда артерия, снабжающая кровью сердце, частично или полностью заблокирована. Если ишемия возникает в течение длительного периода времени, ткани сердца испытывают недостаток кислорода (состояние, называемое «гипоксия») и могут привести к гибели ткани или инфаркту миокарда. Изменения в сердечных клетках и тканях, вызванные гипоксией, включают изменения потенциалов напряжения на клеточной мембране, высвобождение нейротрансмиттеров, сдвиги в экспрессии генов, измененные метаболические функции, а также активацию или деактивацию ионных каналов.
Технологии биосенсора используется в микрофлюидальном чипе сочетают в себе мульти-электродные массивы , которые могут обеспечить внеклеточные отсчеты паттернов напряжения, с nanopillar зондами , которые входят в мембрану принимать отсчеты уровней напряжения (потенциалы действия) внутри каждую ячейки. Крошечные каналы в чипе позволяют исследователям непрерывно и точно регулировать текучую среду, протекающую по клеткам, снижая уровень кислорода примерно до 1-4 процентов, чтобы имитировать гипоксию или повышать уровень кислорода до 21 процента, чтобы моделировать нормальные условия. Изменяющиеся условия предназначены для моделирования того, что происходит с клетками в сердце, когда артерия блокируется, а затем вновь открывается путем лечения.
«Модели« сердце на чипе »являются мощным инструментом для моделирования заболеваний, но современные инструменты для изучения электрофизиологии в этих системах в некоторой степени отсутствуют, поскольку их либо сложно мультиплексировать, либо они могут повредить клетки», — сказал Брайан Тимко. доцент кафедры биомедицинской инженерии в Университете им. Тафтса и соответствующий автор исследования. «Сигнальные пути между молекулами и, в конечном счете, электрофизиологией происходят быстро во время гипоксии, и наше устройство может одновременно собирать большую часть этой информации в реальном времени для большого ансамбля клеток».
При тестировании внеклеточные электродные матрицы предоставили двумерную карту волн напряжения, проходящих через слой сердечных клеток , и выявили предсказуемую волновую картину при нормальных (21%) уровнях кислорода. Напротив, исследователи наблюдали неустойчивые и более медленные волны, когда кислород был уменьшен до 1 процента.
Внутриклеточные датчики нанозондов обеспечили удивительно точную картину потенциалов действия в каждой клетке. Эти датчики были скомпонованы в виде крошечных игл с платиновым наконечником, на которые опирались клетки, как ложе из гвоздей. При стимуляции электрическим полем иглы прокалывают через клеточную мембрану, где они могут начинать измерения при разрешении одной клетки. Оба типа устройств были созданы с использованием фотолитографии — технологии, используемой для создания интегральных микросхем, — которая позволила исследователям создавать массивы устройств с очень воспроизводимыми свойствами.
Внеклеточные и внутриклеточные датчики вместе предоставляют информацию об элетрофизиологических эффектах смоделированной ишемической атаки, включая «замедление» клеток, когда они становятся нефункциональными и затем реагируют на лечение. Таким образом, микрожидкостный чип может стать основой платформы с высокой пропускной способностью при открытии лекарств, определяя терапевтические средства, которые помогают клеткам и тканям быстрее восстанавливать нормальную функцию.
«В будущем мы можем выйти за рамки последствий гипоксии и рассмотреть другие факторы, способствующие острой болезни сердца, такие как ацидоз, недостаток питательных веществ и накопление отходов, просто путем изменения состава и потока среды», — сказал Тимко. «Мы могли бы также включить различные типы датчиков для обнаружения определенных молекул, выраженных в ответ на стресс».
