Сердечный приступ на чипе: ученые смоделировали ишемию на микрофлюидном устройстве

Исследователи из Университета Тафтса создали микрофлюидный чип с кардиомиоцитами, способный имитировать гипоксические условия после сердечного приступа — в частности, когда артерия в сердце блокируется, а затем восстанавливается после лечения.

Ключевая технология:

• Чип содержит мультиплексированные массивы электронных сенсоров вне и внутри клеток.
• Датчики детектируют изменение напряжения на мембранах отдельных клеток и волны напряжения, проходящие по клеточному слою, что заставляет клетки синхронно сокращаться, как в сердце.
• После снижения уровня кислорода в жидкости устройства сенсоры зафиксировали начальный период тахикардии, за которым следовало снижение частоты сокращений и, в конечном итоге, аритмия, имитирующая остановку сердца.

Исследование, опубликованное в Nano Letters, — значительный шаг к пониманию электрофизиологических реакций на клеточном уровне при ишемических атаках и может быть применено в разработке лекарств.

Как это работает:

• Биосенсорная технология сочетает многоканальные электродные массивы для внеклеточного считывания паттернов напряжения и наностолбовые зонды, проникающие в мембрану для измерения уровней напряжения (потенциалов действия) внутри каждой клетки.
• Микроскопические каналы в чипе позволяют точно регулировать состав жидкости, омывающей клетки, снижая уровень кислорода до ~1–4% для модели гипоксии или повышая до 21% для нормальных условий.

«Сигнальные пути между молекулами и, в конечном счете, электрофизиологические изменения во время гипоксии происходят быстро, и наше устройство может одновременно в реальном времени захватывать много этой информации для большого ансамбля клеток», — говорит Брайан Тимко, ведущий автор исследования.

Результаты:

• Внеклеточные электроды показали предсказуемую волновую картину при 21% кислорода и хаотичные, более медленные паттерны при 1%.
• Внутриклеточные нанозонды (массив платиновых «игл», на которых покоятся клетки) обеспечили высокоточную картину потенциалов действия в каждой клетке с разрешением на одну клетку.

Перспективы:

Устройство может стать основой для высокопроизводительной платформы в открытии лекарств, выявляя препараты, которые помогают клеткам быстрее восстанавливать нормальную функцию. В будущем модель можно усложнить, добавив другие факторы (ацидоз, депривация питательных веществ) и новые типы сенсоров.