El corazón humano late más de 2.5 mil millones de veces en una vida promedio. Ahora los científicos de la Universidad de Vanderbilt han creado un órgano en un chip tridimensional que puede imitar las increíbles propiedades biomecánicas del corazón.
"Creamos el I-Wire Heart-on-a-Chip para que podamos entender por qué las células cardíacas se comportan de la manera en que lo hacen al hacer preguntas a las células, en lugar de solo mirarlas", dijo el profesor de la Universidad Gordon A. Cain JohnWikswo, quien encabeza el proyecto. "Creemos que podría resultar invaluable en el estudio de enfermedades cardíacas, detección de drogas y desarrollo de drogas, y, en el futuro, en medicina personalizada mediante la identificación de las células tomadas de pacientes que pueden usarse para parchear corazones dañadosefectivamente."
El dispositivo y los resultados de los experimentos iniciales que demuestran que reproduce fielmente la respuesta de las células cardíacas a dos medicamentos diferentes que afectan la función cardíaca en humanos se describen en un artículo publicado el mes pasado en la revista Acta Biomaterialia . Un artículo complementario en el mismo número presenta un análisis biomecánico de la plataforma I-Wire que puede usarse para caracterizar biomateriales para la medicina regenerativa cardíaca.
El aspecto único del nuevo dispositivo, que representa aproximadamente dos millonésimas de un corazón humano, es que controla la fuerza mecánica aplicada a las células cardíacas. Esto permite a los investigadores reproducir las condiciones mecánicas del corazón vivo, que se estira continuamentey contratación, además de su entorno eléctrico y bioquímico.
"El tejido cardíaco, junto con el tejido muscular, esquelético y vascular, representa una clase especial de biomateriales mecánicamente activos", dijo Wikswo. "La actividad mecánica es una propiedad intrínseca de estos tejidos, por lo que no puede comprender completamente cómo funcionan y cómofallan sin tener en cuenta este factor "
"Actualmente, no tenemos muchos modelos para estudiar cómo responde el corazón al estrés. Sin ellos, es muy difícil desarrollar nuevos medicamentos que aborden específicamente lo que sale mal en estas condiciones", comentó Charles Hong, profesor asociado demedicina cardiovascular en la Escuela de Medicina de Vanderbilt, que no participó en la investigación pero está familiarizada con ella. "Esto nos proporciona un modelo realmente sorprendente para estudiar cómo los corazones fallan".
El dispositivo I-Wire consiste en un hilo delgado de células cardíacas humanas de 0.014 pulgadas de grosor aproximadamente del tamaño de una línea de pesca de monofilamento de 20 libras estirado entre dos anclas de alambre perpendiculares. La cantidad de tensión en la fibra se puede variar moviendolos anclajes hacia adentro y hacia afuera, y la tensión se mide con una sonda flexible que empuja contra el costado de la fibra.
La fibra está soportada por cables y un marco en un pozo ópticamente transparente que está lleno de medio líquido como el que rodea las células cardíacas en el cuerpo. El aparato está montado en el escenario de un potente microscopio óptico que registra los cambios físicos de la fibraEl microscopio también actúa como un espectroscopio que puede proporcionar información sobre los cambios químicos que tienen lugar en la fibra. Un microelectrodo flotante también mide la actividad eléctrica de las células.
Según los investigadores, el sistema I-Wire se puede utilizar para caracterizar cómo las células cardíacas responden a la estimulación eléctrica y las cargas mecánicas y se puede implementar a bajo costo, pequeño tamaño y bajos volúmenes de líquidos, lo que lo hace adecuado para la detección de drogas ytoxinas. Debido a sus posibles aplicaciones, la Universidad de Vanderbilt ha patentado el dispositivo.
A diferencia de otros diseños de corazón en un chip, I-Wire permite a los investigadores cultivar células cardíacas bajo una tensión controlada y variable en el tiempo similar a la que experimentan en los corazones vivos. Como consecuencia, las células del corazón en la fibra se alineanse alternan en bandas oscuras y claras, llamadas sarcómeros, que son características del tejido muscular humano. Las células cardíacas en la mayoría de los otros diseños de corazón en chip no exhiben esta organización natural.
Además, los investigadores han determinado que su corazón en un chip obedece la ley del corazón de Frank-Starling. La ley, que fue descubierta por dos fisiólogos en 1918, describe la relación entre el volumen de sangre que llena elcorazón y la fuerza con la que se contraen las células cardíacas. El I-Wire es uno de los primeros dispositivos de corazón en un chip que lo hace.
Para demostrar el valor de I-Wire en la determinación de los efectos que tienen diferentes medicamentos en el corazón, los científicos probaron su respuesta con dos medicamentos que afectan la función cardíaca en humanos: isoproterenol y blebbistatina. Isoproterenol es un medicamento utilizado para tratar la bradicardiafrecuencia cardíaca lenta y bloqueo cardíaco obstrucción del marcapasos natural del corazón. La blebbistatina inhibe las contracciones en todos los tipos de tejido muscular, incluido el corazón.
Según Veniamin Sidorov, profesor asistente de investigación en el Instituto Vanderbilt para la Investigación y Educación de Biosistemas Integrativos VIIBRE que dirigió su desarrollo, el dispositivo reproduce fielmente la respuesta de las células cardíacas en un corazón vivo.
"El tejido cardíaco tiene dos elementos básicos: un elemento activo y contráctil y un elemento pasivo elástico", dijo Sidorov. "Al separar estos dos elementos con blebbistatina, caracterizamos con éxito la elasticidad del tejido artificial. Al exponerlo al isoproterenol, probamos su respuesta a la estimulación adrenérgica, que es uno de los principales sistemas responsables de la regulación de las contracciones cardíacas. Descubrimos que la relación entre estos dos elementos en la fibra cardíaca es consistente con la observada en el tejido natural. Esto confirma que nuestro corazónEl modelo en un chip nos proporciona una nueva forma de estudiar la respuesta elástica del músculo cardíaco, que es extremadamente complicada y está implicada en insuficiencia cardíaca, hipertensión, hipertrofia cardíaca y cardiomiopatía ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Vanderbilt . Original escrito por David F Salisbury. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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