Ricercatori della Carnegie Mellon University (CMU) e della Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) ha sviluppato una piattaforma organo su un chip elettronico, che utilizza sensori bioelettrici per misurare l'elettrofisiologia delle cellule cardiache in tre dimensioni. Questi 3-D, gli array di biosensori auto-rotolanti si avvolgono sui tessuti sferoidali delle cellule cardiache per formare un "organo-su-e-chip, " consentendo così ai ricercatori di studiare come le cellule comunicano tra loro in sistemi multicellulari come il cuore.

L'approccio organ-on-e-chip aiuterà a sviluppare e valutare l'efficacia dei farmaci per il trattamento delle malattie, forse anche consentendo ai ricercatori di eseguire lo screening di farmaci e tossine direttamente su un tessuto simile a quello umano, piuttosto che testare su tessuti animali. La piattaforma sarà utilizzata anche per far luce sulla connessione tra i segnali elettrici del cuore e la malattia, come le aritmie. La ricerca, pubblicato in Progressi scientifici , consente ai ricercatori di studiare processi in cellule coltivate che attualmente non sono accessibili, come lo sviluppo dei tessuti e la maturazione cellulare.

"Per decenni, l'elettrofisiologia è stata eseguita utilizzando cellule e colture su superfici bidimensionali, come piatti della cultura, " afferma Tzahi Cohen-Karni, professore associato di ingegneria biomedica (BME) e scienza e ingegneria dei materiali (MSE). intorno alle cellule cardiache ed estraendo informazioni elettrofisiologiche da questo tessuto".

La piattaforma "organ-on-e-chip" inizia come un piccolo, rettangolo piatto, non diversamente da un braccialetto schiaffo in microscala. Un braccialetto schiaffo inizia come un rigido, struttura a righello, ma quando si rilascia la tensione si avvolge rapidamente fino a fasciarsi intorno al polso.

L'organ-on-e-chip inizia in modo simile. I ricercatori fissano una serie di sensori fatti di elettrodi metallici o sensori di grafene alla superficie del chip, quindi incidere uno strato inferiore di germanio, che è noto come "strato sacrificale". Una volta rimosso questo strato sacrificale, l'array di biosensori viene rilasciato dalla sua presa e si arrotola dalla superficie in una struttura a forma di botte.

I ricercatori hanno testato la piattaforma su sferoidi cardiaci, o organoidi allungati costituiti da cellule cardiache. Questi sferoidi cardiaci 3D sono larghi circa 2-3 capelli umani. Avvolgere la piattaforma sullo sferoide consente ai ricercatori di raccogliere letture di segnali elettrici con alta precisione.

"Essenzialmente, abbiamo creato array di biosensori auto-rotanti 3D per esplorare l'elettrofisiologia dei cardiomiociti derivati ​​da cellule staminali pluripotenti indotte, ", afferma Anna Kalmykov, autrice principale dello studio e studentessa di dottorato BME. "Questa piattaforma potrebbe essere utilizzata per fare ricerche sulla rigenerazione e sulla maturazione del tessuto cardiaco che potenzialmente possono essere utilizzate per trattare il tessuto danneggiato dopo un infarto, Per esempio, o sviluppare nuovi farmaci per curare le malattie".

Attraverso la collaborazione con i laboratori del professor BME/MSE Adam Feinberg e dell'ex docente CMU Jimmy Hsia, ora Preside del Graduate College di NTU Singapore, i ricercatori sono stati in grado di progettare una prova di concetto e testarli su sferoidi di cardiomiociti formati da micro-muffe 3-D.

"L'analisi meccanica del processo di roll-up ci consente di controllare con precisione la forma dei sensori per garantire un contatto conforme tra i sensori e il tessuto cardiaco, ", afferma il professor Jimmy Hsia della NTU. "La tecnica regola automaticamente anche il livello del delicato 'tocco' tra i sensori e il tessuto in modo tale che vengano misurati segnali elettrici di alta qualità senza modificare le condizioni fisiologiche del tessuto a causa della pressione esterna".

"L'idea è di prendere metodi che sono tradizionalmente fatti in geometria planare e farli in tre dimensioni, " dice Cohen-Karni. "I nostri organi sono di natura 3-D. Per molti anni, l'elettrofisiologia è stata eseguita utilizzando solo cellule coltivate su un piatto di coltura di tessuti 2-D. Ma ora, queste incredibili tecniche di elettrofisiologia possono essere applicate a strutture 3D".