Forskare ledda av biomedicinska ingenjörer vid Tufts University uppfann ett mikrofluidiskt chip som innehåller hjärtceller som kan efterlikna hypoxiska tillstånd efter en hjärtinfarkt - speciellt när en artär blockeras i hjärtat och sedan avblockeras efter behandling. Chipet innehåller multiplexerade uppsättningar av elektroniska sensorer placerade utanför och inuti cellerna som kan upptäcka ökningen och minskningen av spänningen över individuella cellmembran, såväl som spänningsvågor som rör sig över cellskiktet, som får cellerna att slå unisont i chipet, precis som de gör i hjärtat. Efter att ha minskat nivåerna av syre i vätskan i enheten, sensorerna upptäcker en initial period av takykardi (accelererad slaghastighet), följt av en minskning av slagfrekvensen och så småningom arytmi som efterliknar hjärtstillestånd.

Forskningen, publiceras i Nanobokstäver , är ett betydande framsteg mot att förstå de elektrofysiologiska svaren på cellulär nivå på ischemiska hjärtattacker, och skulle kunna tillämpas på framtida läkemedelsutveckling. Tidningen valdes av American Chemical Society som Editors' Choice, och är tillgänglig med öppen tillgång.

Kardiovaskulär sjukdom (CVD) är fortfarande den vanligaste dödsorsaken i världen, med de flesta patienter som lider av hjärtischemi – som uppstår när en artär som förser hjärtat med blod är delvis eller helt blockerad. Om ischemi inträffar under en längre period, hjärtvävnaden svälter på syre (ett tillstånd som kallas "hypoxi"), och kan leda till vävnadsdöd, eller hjärtinfarkt. Förändringarna i hjärtceller och vävnader som induceras av hypoxi inkluderar förändringar i spänningspotentialer över cellmembranet, frisättning av neurotransmittorer, förändringar i genuttryck, förändrade metaboliska funktioner, och aktivering eller deaktivering av jonkanaler.

Biosensorteknologin som används i mikrofluidchippet kombinerar multielektrodarrayer som kan ge extracellulära avläsningar av spänningsmönster, med nanopelarprober som kommer in i membranet för att ta avläsningar av spänningsnivåer (aktionspotentialer) inom varje cell. Små kanaler i chippet tillåter forskarna att kontinuerligt och exakt justera vätskan som strömmar över cellerna, sänka nivåerna av syre till cirka 1-4 procent för att efterlikna hypoxi eller höja syre till 21 procent för att modellera normala förhållanden. De förändrade förhållandena är avsedda att modellera vad som händer med celler i hjärtat när en artär blockeras, och öppnas sedan igen genom behandling.

"Hjärta-på-ett-chip-modeller är ett kraftfullt verktyg för att modellera sjukdomar, men nuvarande verktyg för att studera elektrofysiologi i dessa system saknas något, eftersom de antingen är svåra att multiplexa eller så småningom orsakar skador på cellerna, sa Brian Timko, biträdande professor i biomedicinsk teknik vid Tufts University School of Engineering, och motsvarande författare till studien. "Signalvägar mellan molekyler och i slutändan elektrofysiologi sker snabbt under hypoxi, och vår enhet kan fånga mycket av denna information samtidigt i realtid för en stor ensemble av celler."

När den testades, de extracellulära elektroduppsättningarna gav en tvådimensionell karta över spänningsvågor som passerade över lagret av hjärtceller, och avslöjade ett förutsägbart vågmönster under normala (21 procent) syrenivåer. I kontrast, forskarna observerade oberäkneliga och långsammare vågmönster när syret reducerades till 1 procent.

De intracellulära nanoprobsensorerna gav en anmärkningsvärt exakt bild av aktionspotentialer inom varje cell. Dessa sensorer var arrangerade som en samling små platinanålar som cellerna vilar på, som en bädd av naglar. När det stimuleras med ett elektriskt fält, nålarna punkterar genom cellmembranet, där de kan börja göra mätningar med encellsupplösning. Båda typerna av enheter skapades med hjälp av fotolitografi - tekniken som används för att skapa integrerade kretsar - vilket gjorde det möjligt för forskare att uppnå enhetsmatriser med mycket reproducerbara egenskaper.

De extracellulära och intracellulära sensorerna ger tillsammans information om de elektrofysiologiska effekterna av en modellerad ischemisk attack, inklusive en "time lapse" av celler när de blir dysfunktionella och sedan svarar på behandlingen. Som sådan, det mikrofluidiska chippet skulle kunna utgöra grunden för en högkapacitetsplattform för läkemedelsupptäckt, identifiera terapeutika som hjälper celler och vävnader att återhämta normal funktion snabbare.

"I framtiden, vi kan se bortom effekterna av hypoxi och överväga andra faktorer som bidrar till akut hjärtsjukdom, såsom acidos, näringsbrist och ackumulering av avfall, helt enkelt genom att modifiera mediets sammansättning och flöde, ", sa Timko. "Vi skulle också kunna införliva olika typer av sensorer för att upptäcka specifika molekyler som uttrycks som svar på påfrestningar."