Los investigadores dirigidos por ingenieros biomédicos en la Universidad de Tufts inventaron un chip microfluídico que contiene células cardíacas que es capaz de imitar condiciones hipóxicas después de un ataque cardíaco, específicamente cuando una arteria se bloquea en el corazón y luego se desbloquea después del tratamiento. El chip contiene matrices multiplexadasde sensores electrónicos ubicados fuera y dentro de las células que pueden detectar el aumento y la caída de voltaje a través de las membranas celulares individuales, así como las ondas de voltaje que se mueven a través de la capa celular, lo que hace que las células golpeen al unísono en el chip, tal como lo hacenen el corazón Después de reducir los niveles de oxígeno en el líquido dentro del dispositivo, los sensores detectan un período inicial de taquicardia frecuencia de latido acelerada, seguido de una reducción en la frecuencia de latido y eventualmente una arritmia que imita el paro cardíaco.
La investigación, publicada en Nano Letters, es un avance significativo hacia la comprensión de las respuestas electrofisiológicas a nivel celular a los ataques cardíacos isquémicos, y podría aplicarse al desarrollo futuro de medicamentos. El artículo fue seleccionado por la American Chemical Society como Elección de los Editoresy está disponible con acceso abierto.
La enfermedad cardiovascular ECV sigue siendo la principal causa de muerte en todo el mundo, y la mayoría de los pacientes sufren de isquemia cardíaca, que ocurre cuando una arteria que suministra sangre al corazón está parcial o totalmente bloqueada. Si la isquemia ocurre durante un período prolongado, el corazónel tejido carece de oxígeno una condición llamada "hipoxia" y puede conducir a la muerte del tejido o infarto de miocardio. Los cambios en las células cardíacas y los tejidos inducidos por la hipoxia incluyen cambios en los potenciales de voltaje a través de la membrana celular, liberación de neurotransmisores, cambiosen expresión génica, funciones metabólicas alteradas y activación o desactivación de canales iónicos.
La tecnología de biosensor utilizada en el chip microfluídico combina conjuntos de electrodos múltiples que pueden proporcionar lecturas extracelulares de patrones de voltaje, con sondas de nanopilares que ingresan a la membrana para tomar lecturas de los niveles de voltaje potenciales de acción dentro de cada celda. Canales pequeños en el chipPermitir a los investigadores ajustar de manera continua y precisa el fluido que fluye sobre las células, reduciendo los niveles de oxígeno a aproximadamente 1-4 por ciento para imitar la hipoxia o elevando el oxígeno al 21 por ciento para modelar las condiciones normales.células en el corazón cuando una arteria está bloqueada y luego se vuelve a abrir mediante tratamiento.
"Los modelos Heart-on-a-chip son una herramienta poderosa para modelar enfermedades, pero las herramientas actuales para estudiar la electrofisiología en esos sistemas son deficientes, ya que son difíciles de multiplexar o eventualmente causar daño a las células", dijo BrianTimko, profesor asistente de ingeniería biomédica en la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Tufts y autor correspondiente del estudio. "Las vías de señalización entre las moléculas y, en última instancia, la electrofisiología ocurren rápidamente durante la hipoxia, y nuestro dispositivo puede capturar mucha de esta información simultáneamente en tiempo real durante un tiempogran conjunto de células "
Cuando se probó, los conjuntos de electrodos extracelulares proporcionaron un mapa bidimensional de ondas de voltaje que pasaban sobre la capa de células cardíacas y revelaron un patrón de onda predecible bajo niveles normales de oxígeno 21 por ciento. En contraste, los investigadores observaron erráticos y más lentos.patrones de onda cuando el oxígeno se redujo al 1 por ciento.
Los sensores de nanoprobe intracelular proporcionaron una imagen notablemente precisa de los potenciales de acción dentro de cada célula. Estos sensores se organizaron como una serie de pequeñas agujas con punta de platino sobre las cuales descansan las células, como un lecho de clavos. Cuando se estimulan con un campo eléctrico, elLas agujas se perforan a través de la membrana celular, donde pueden comenzar a tomar medidas con una resolución de célula única. Ambos tipos de dispositivos se crearon mediante fotolitografía, la tecnología utilizada para crear circuitos integrados, lo que permitió a los investigadores lograr conjuntos de dispositivos con propiedades altamente reproducibles.
Los sensores extracelulares e intracelulares juntos brindan información de los efectos electrofisiológicos de un ataque isquémico modelado, incluido un "lapso de tiempo" de las células a medida que se vuelven disfuncionales y luego responden al tratamiento. Como tal, el chip microfluídico podría formar la base de unplataforma de alto rendimiento en el descubrimiento de fármacos, identificando terapias que ayudan a las células y tejidos a recuperar la función normal más rápidamente.
"En el futuro, podemos mirar más allá de los efectos de la hipoxia y considerar otros factores que contribuyen a la enfermedad cardíaca aguda, como la acidosis, la privación de nutrientes y la acumulación de desechos, simplemente modificando la composición y el flujo del medio", dijo Timko."También podríamos incorporar diferentes tipos de sensores para detectar moléculas específicas expresadas en respuesta al estrés".
Este trabajo fue apoyado por subvenciones de Tufts Collaborates, el Departamento de Defensa W81XWH-16-1-0304, la American Heart Association Grant-in-Aid 16GRNT27760100 y el Programa Tufts Summer Scholars. La investigación se realizó enla instalación de micro y nanofabricación de Tufts.
El primer autor del estudio fue Haitao Liu, erudito visitante en la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Tufts, los coautores incluyeron a Ning Hu, también erudito visitante; Rotimi Bolonduro y Breanna Duffy, ambos candidatos a doctorado; estudiantes universitarios Akshita Rao y Jie Ju; ZhaohuiHuang, de la Escuela de Ciencia y Tecnología de Materiales de la Universidad de Geociencias de China, y Lauren Black, profesora asociada de ingeniería biomédica en Tufts.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Tufts . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :