Forskare från Carnegie Mellon University (CMU) och Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) har utvecklat en organ-på-ett-elektroniskt chip-plattform, som använder bioelektriska sensorer för att mäta hjärtcellernas elektrofysiologi i tre dimensioner. Dessa 3D, självrullande biosensormatriser lindas upp över hjärtcellssfäroidvävnader för att bilda ett "organ-på-e-chip, " vilket gör det möjligt för forskarna att studera hur celler kommunicerar med varandra i flercelliga system som hjärtat.

Organ-on-e-chip-metoden kommer att hjälpa till att utveckla och utvärdera effektiviteten av läkemedel för sjukdomsbehandling – kanske till och med göra det möjligt för forskare att screena för läkemedel och toxiner direkt på en människoliknande vävnad, snarare än att testa på djurvävnad. Plattformen ska också användas för att belysa sambandet mellan hjärtats elektriska signaler och sjukdom, såsom arytmier. Forskningen, publiceras i Vetenskapens framsteg , tillåter forskarna att undersöka processer i odlade celler som för närvarande inte är tillgängliga, såsom vävnadsutveckling och cellmognad.

"I årtionden, elektrofysiologi gjordes med hjälp av celler och kulturer på tvådimensionella ytor, som kulturrätter, " säger docent i biomedicinsk teknik (BME) och materialvetenskap och teknik (MSE) Tzahi Cohen-Karni. "Vi försöker kringgå utmaningen med att läsa hjärtats elektriska mönster i 3D genom att utveckla ett sätt att krymplinda sensorer runt hjärtceller och extrahera elektrofysiologisk information från denna vävnad."

"Orgel-på-e-chip"-plattformen börjar som en liten, platt rektangel, inte olikt ett smällarmband i mikroskala. Ett slaparmband börjar som ett styvt, linjalliknande struktur, men när du släpper spänningen rullar den snabbt ihop sig till ett band runt handleden.

Organ-on-e-chipet börjar på liknande sätt. Forskarna fäster en rad sensorer gjorda av antingen metalliska elektroder eller grafensensorer på chipets yta, etsa sedan bort ett bottenlager germanium, som är känt som "offerlagret". När detta offerlager har tagits bort, biosensormatrisen frigörs från sitt fäste och rullar upp från ytan i en tunnformad struktur.

Forskarna testade plattformen på hjärtsfäroider, eller långsträckta organoider gjorda av hjärtceller. Dessa 3D-hjärtsfäroider är ungefär lika breda som 2-3 människohår. Genom att linda plattformen över sfäroiden kan forskarna samla in elektriska signalavläsningar med hög precision.

"Väsentligen, vi har skapat 3-D självrullande biosensormatriser för att utforska elektrofysiologin hos inducerade pluripotenta stamcellshärledda kardiomyocyter, " säger huvudförfattaren till studien och BME doktorand Anna Kalmykov. "Den här plattformen skulle kunna användas för att forska i hjärtvävnadsregenerering och mognad som potentiellt kan användas för att behandla skadad vävnad efter en hjärtattack, till exempel, eller utveckla nya läkemedel för att behandla sjukdomar."

Genom samarbete med labben för BME/MSE-professor Adam Feinberg och före detta CMU-fakulteten Jimmy Hsia, nu dekanus vid Graduate College of NTU Singapore, forskarna kunde designa ett proof of concept och testa dem på 3-D mikro-mögelformade kardiomyocytsfäroider.

"Mekanisk analys av roll-up-processen gör det möjligt för oss att exakt kontrollera formen på sensorerna för att säkerställa överensstämmande kontakt mellan sensorerna och hjärtvävnaden, ", säger NTU-professor Jimmy Hsia. "Tekniken justerar också automatiskt nivån på den känsliga "beröringen" mellan sensorerna och vävnaden så att elektriska signaler av hög kvalitet mäts utan att de fysiologiska förhållandena i vävnaden förändras på grund av yttre tryck."

"Hela idén är att ta metoder som traditionellt görs i plan geometri och göra dem i tre dimensioner, " säger Cohen-Karni. "Våra organ är 3-D i naturen. Under många år, elektrofysiologi gjordes med användning av endast celler odlade på en 2-D vävnadsodlingsskål. Men nu, dessa fantastiska elektrofysiologiska tekniker kan appliceras på 3D-strukturer."