Hjerteanfald på en chip:Forskere modellerer tilstande af iskæmi på en mikrofluidisk enhed

Forskere ledet af biomedicinske ingeniører ved Tufts University opfandt en mikrofluidisk chip indeholdende hjerteceller, der er i stand til at efterligne hypoxiske tilstande efter et hjerteanfald - specielt når en arterie er blokeret i hjertet og derefter ophævet efter behandling. Chippen indeholder multipleksede arrays af elektroniske sensorer placeret uden for og inde i cellerne, der kan registrere stigning og fald af spænding over individuelle cellemembraner, samt spændingsbølger, der bevæger sig hen over cellelaget, som får cellerne til at slå i forening i chippen, ligesom de gør i hjertet. Efter at have reduceret niveauet af ilt i væsken i enheden, sensorerne registrerer en indledende periode med takykardi (accelereret slaghastighed), efterfulgt af en reduktion i slagfrekvens og til sidst arytmi, som efterligner hjertestop.

Forskningen, udgivet i Nano bogstaver , er et betydeligt fremskridt i retning af at forstå de elektrofysiologiske reaktioner på cellulært niveau på iskæmiske hjerteanfald, og kan anvendes til fremtidig lægemiddeludvikling. Papiret blev udvalgt af American Chemical Society som Editors' Choice, og er tilgængelig med åben adgang.

Kardiovaskulær sygdom (CVD) er fortsat den største dødsårsag på verdensplan, med de fleste patienter, der lider af hjerteiskæmi - som opstår, når en arterie, der forsyner blod med hjertet, er delvist eller fuldstændigt blokeret. Hvis iskæmi opstår over en længere periode, hjertevævet er udsultet af ilt (en tilstand kaldet "hypoksi"), og kan føre til vævsdød, eller myokardieinfarkt. Ændringerne i hjerteceller og væv induceret af hypoxi omfatter ændringer i spændingspotentialer over cellemembranen, frigivelse af neurotransmittere, skift i genekspression, ændrede metaboliske funktioner, og aktivering eller deaktivering af ionkanaler.

Biosensorteknologien, der bruges i mikrofluidchippen, kombinerer multi-elektrode-arrays, der kan give ekstracellulære udlæsninger af spændingsmønstre, med nanopillar-prober, der kommer ind i membranen for at tage udlæsninger af spændingsniveauer (aktionspotentialer) i hver celle. Små kanaler i chippen giver forskerne mulighed for kontinuerligt og præcist at justere væsken, der strømmer over cellerne, sænke niveauet af oxygen til omkring 1-4 procent for at efterligne hypoxi eller hæve oxygen til 21 procent for at modellere normale forhold. De skiftende forhold er beregnet til at modellere, hvad der sker med celler i hjertet, når en arterie er blokeret, og derefter genåbnet ved behandling.

"Hjerte-på-en-chip-modeller er et kraftfuldt værktøj til at modellere sygdomme, men de nuværende værktøjer til at studere elektrofysiologi i disse systemer mangler noget, da de enten er svære at multiplekse eller til sidst forårsager skade på cellerne, "sagde Brian Timko, assisterende professor i biomedicinsk teknik ved Tufts University School of Engineering, og tilsvarende forfatter til undersøgelsen. "Signalveje mellem molekyler og i sidste ende elektrofysiologi forekommer hurtigt under hypoxi, og vores enhed kan fange en masse af denne information samtidigt i realtid for et stort ensemble af celler."

Når testet, de ekstracellulære elektrodearrays gav et todimensionelt kort over spændingsbølger, der passerede over laget af hjerteceller, og afslørede et forudsigeligt bølgemønster under normale (21 procent) iltniveauer. I modsætning, forskerne observerede uregelmæssige og langsommere bølgemønstre, når ilten blev reduceret til 1 procent.

De intracellulære nanoprobe-sensorer gav et bemærkelsesværdigt nøjagtigt billede af aktionspotentialer i hver celle. Disse sensorer var arrangeret som en række små platinspidsede nåle, som cellerne hviler på, som en seng af negle. Når det stimuleres med et elektrisk felt, nålene punkterer gennem cellemembranen, hvor de kan begynde at tage målinger ved enkeltcelleopløsning. Begge typer enheder blev skabt ved hjælp af fotolitografi - teknologien, der blev brugt til at skabe integrerede kredsløb - som gjorde det muligt for forskere at opnå enhedsarrays med meget reproducerbare egenskaber.

De ekstracellulære og intracellulære sensorer giver sammen information om de eletrofysiologiske virkninger af et modelleret iskæmisk angreb, herunder en "time lapse" af celler, da de bliver dysfunktionelle og derefter reagerer på behandlingen. Som sådan, den mikrofluidiske chip kunne danne grundlaget for en platform med høj gennemstrømning inden for lægemiddelopdagelse, identificere terapeutiske midler, der hjælper celler og væv med at genoprette normal funktion hurtigere.

"I fremtiden, vi kan se ud over virkningerne af hypoxi og overveje andre faktorer, der bidrager til akut hjertesygdom, såsom acidose, mangel på næringsstoffer og affaldsophobning, simpelthen ved at ændre sammensætningen og flowet af mediet, " sagde Timko. "Vi kunne også inkorporere forskellige typer sensorer til at detektere specifikke molekyler udtrykt som reaktion på stress."