I ricercatori guidati da ingegneri biomedici della Tufts University hanno inventato un chip microfluidico contenente cellule cardiache in grado di imitare le condizioni ipossiche a seguito di un infarto, in particolare quando un'arteria viene bloccata nel cuore e quindi sbloccata dopo il trattamento. Il chip contiene array multiplex di sensori elettronici posizionati all'esterno e all'interno delle cellule in grado di rilevare l'aumento e la caduta di tensione attraverso le singole membrane cellulari, così come le onde di tensione che si muovono attraverso lo strato cellulare, che fanno battere le cellule all'unisono nel chip, proprio come fanno nel cuore. Dopo aver ridotto i livelli di ossigeno nel fluido all'interno del dispositivo, i sensori rilevano un periodo iniziale di tachicardia (battito accelerato), seguita da una riduzione della frequenza dei battiti e infine da un'aritmia che simula l'arresto cardiaco.

La ricerca, pubblicato in Nano lettere , è un progresso significativo verso la comprensione delle risposte elettrofisiologiche a livello cellulare agli attacchi di cuore ischemico, e potrebbe essere applicato al futuro sviluppo di farmaci. Il documento è stato selezionato dall'American Chemical Society come Editors' Choice, ed è disponibile con libero accesso.

Le malattie cardiovascolari (CVD) rimangono la principale causa di morte nel mondo, con la maggior parte dei pazienti affetti da ischemia cardiaca, che si verifica quando un'arteria che fornisce sangue al cuore è parzialmente o completamente bloccata. Se l'ischemia si verifica per un periodo prolungato, il tessuto cardiaco è affamato di ossigeno (una condizione chiamata "ipossia"), e può portare alla morte dei tessuti, o infarto del miocardio. I cambiamenti nelle cellule e nei tessuti cardiaci indotti dall'ipossia includono cambiamenti nei potenziali di tensione attraverso la membrana cellulare, rilascio di neurotrasmettitori, cambiamenti nell'espressione genica, funzioni metaboliche alterate, e attivazione o disattivazione dei canali ionici.

La tecnologia del biosensore utilizzata nel chip microfluidico combina array multi-elettrodo in grado di fornire letture extracellulari dei modelli di tensione, con sonde nanopillar che entrano nella membrana per rilevare i livelli di tensione (potenziali d'azione) all'interno di ciascuna cella. Piccoli canali nel chip consentono ai ricercatori di regolare in modo continuo e preciso il fluido che scorre sulle cellule, abbassare i livelli di ossigeno a circa l'1-4 percento per simulare l'ipossia o aumentare l'ossigeno al 21 percento per modellare le condizioni normali. Le condizioni mutevoli hanno lo scopo di modellare ciò che accade alle cellule del cuore quando un'arteria è bloccata, e poi riaperto dal trattamento.

"I modelli Heart-on-a-chip sono un potente strumento per modellare le malattie, ma gli attuali strumenti per studiare l'elettrofisiologia in quei sistemi sono alquanto carenti, poiché sono difficili da multiplexare o alla fine causano danni alle cellule, " ha detto Brian Timko, assistente professore di ingegneria biomedica presso la Tufts University School of Engineering, e corrispondente autore dello studio. "I percorsi di segnalazione tra le molecole e infine l'elettrofisiologia si verificano rapidamente durante l'ipossia, e il nostro dispositivo può catturare molte di queste informazioni contemporaneamente in tempo reale per un grande insieme di cellule".

Quando testato, gli array di elettrodi extracellulari fornivano una mappa bidimensionale delle onde di tensione che passavano sullo strato di cellule cardiache, e ha rivelato un modello d'onda prevedibile sotto i normali livelli di ossigeno (21 percento). In contrasto, i ricercatori hanno osservato modelli di onde irregolari e più lenti quando l'ossigeno è stato ridotto all'1%.

I sensori di nanosonda intracellulari hanno fornito un'immagine straordinariamente accurata dei potenziali d'azione all'interno di ciascuna cellula. Questi sensori erano disposti come una serie di minuscoli aghi con punta di platino su cui poggiano le cellule, come un letto di chiodi. Quando stimolato con un campo elettrico, gli aghi perforano la membrana cellulare, dove possono iniziare a effettuare misurazioni alla risoluzione di una singola cella. Entrambi i tipi di dispositivi sono stati creati utilizzando la fotolitografia, la tecnologia utilizzata per creare circuiti integrati, che ha permesso ai ricercatori di ottenere array di dispositivi con proprietà altamente riproducibili.

I sensori extracellulari e intracellulari insieme forniscono informazioni sugli effetti elettrofisiologici di un attacco ischemico modellato, compreso un "lasso di tempo" di cellule quando diventano disfunzionali e quindi rispondono al trattamento. Come tale, il chip microfluidico potrebbe costituire la base di una piattaforma ad alto rendimento nella scoperta di farmaci, identificare terapie che aiutano le cellule e i tessuti a recuperare più rapidamente la normale funzione.

"Nel futuro, possiamo guardare oltre gli effetti dell'ipossia e considerare altri fattori che contribuiscono alle malattie cardiache acute, come acidosi, privazione di nutrienti e accumulo di rifiuti, semplicemente modificando la composizione e il flusso del mezzo, " ha detto Timko. "Potremmo anche incorporare diversi tipi di sensori per rilevare molecole specifiche espresse in risposta agli stress".