Una matriz de biosensores auto-enrollada en 3D que sujeta un esferoide cardíaco en 3D. Crédito:Universidad Carnegie Mellon
Investigadores de la Universidad Carnegie Mellon (CMU) y la Universidad Tecnológica de Nanyang, Singapur (NTU Singapur) ha desarrollado una plataforma de órgano en un chip electrónico, que utiliza sensores bioeléctricos para medir la electrofisiología de las células del corazón en tres dimensiones. Estos 3-D, Las matrices de biosensores auto-rodantes se enrollan sobre los tejidos esferoides de las células del corazón para formar un "órgano en un chip electrónico, “permitiendo así a los investigadores estudiar cómo las células se comunican entre sí en sistemas multicelulares como el corazón.
El enfoque de órgano en chip electrónico ayudará a desarrollar y evaluar la eficacia de los medicamentos para el tratamiento de enfermedades, quizás incluso permitiendo a los investigadores detectar medicamentos y toxinas directamente en un tejido similar al humano. en lugar de realizar pruebas en tejido animal. La plataforma también se utilizará para arrojar luz sobre la conexión entre las señales eléctricas del corazón y la enfermedad. como arritmias. La investigación, publicado en Avances de la ciencia , permite a los investigadores investigar procesos en células cultivadas que actualmente no son accesibles, como el desarrollo de tejidos y la maduración celular.
"Por décadas, La electrofisiología se realizó utilizando células y cultivos en superficies bidimensionales, como platos de cultura, ", dice el profesor asociado de Ingeniería Biomédica (BME) y Ciencia e Ingeniería de Materiales (MSE) Tzahi Cohen-Karni." Estamos tratando de eludir el desafío de leer los patrones eléctricos del corazón en 3-D desarrollando una forma de sensores de envoltura retráctil alrededor de las células del corazón y extrayendo información electrofisiológica de este tejido ".
La plataforma "organ-on-e-chip" comienza como una pequeña, rectángulo plano, no muy diferente a una pulsera de bofetadas a microescala. Un brazalete de bofetada comienza como un rígido, estructura similar a una regla, pero cuando suelta la tensión, se enrolla rápidamente para rodear la muñeca.
El organ-on-e-chip comienza de manera similar. Los investigadores fijan una serie de sensores hechos de electrodos metálicos o sensores de grafeno a la superficie del chip. luego grabe una capa inferior de germanio, que se conoce como la "capa de sacrificio". Una vez que se quita esta capa de sacrificio, la matriz de biosensores se libera de su sujeción y se enrolla desde la superficie en una estructura en forma de barril.
Los investigadores probaron la plataforma en esferoides cardíacos, u organoides alargados hechos de células cardíacas. Estos esferoides de corazón tridimensionales tienen aproximadamente el ancho de 2-3 cabellos humanos. Enrollar la plataforma sobre el esferoide permite a los investigadores recopilar lecturas de señales eléctricas con alta precisión.
Imágenes de la actividad de iones de calcio de un esferoide cardíaco encapsulado en la matriz de biosensores. Crédito:Facultad de Ingeniería de la Universidad Carnegie Mellon
"Esencialmente, Hemos creado matrices de biosensores auto-rodantes en 3-D para explorar la electrofisiología de cardiomiocitos derivados de células madre pluripotentes inducidas, "dice la autora principal del estudio y estudiante de doctorado de BME, Anna Kalmykov." Esta plataforma podría usarse para investigar sobre la regeneración y maduración del tejido cardíaco que potencialmente se puede usar para tratar el tejido dañado después de un ataque cardíaco, por ejemplo, o el desarrollo de nuevos medicamentos para tratar enfermedades ".
A través de la colaboración con los laboratorios del profesor Adam Feinberg de BME / MSE y el ex profesor de CMU Jimmy Hsia, ahora Decano del Graduate College of NTU Singapore, los investigadores pudieron diseñar una prueba de concepto y probarlos en esferoides de cardiomiocitos formados por micromoldes tridimensionales.
Matriz de biosensores 3D altamente flexible que se desenrolla con un capilar de vidrio. Crédito:Facultad de Ingeniería de la Universidad Carnegie Mellon
"El análisis mecánico del proceso de enrollado nos permite controlar con precisión la forma de los sensores para garantizar un contacto conforme entre los sensores y el tejido cardíaco, "dice el profesor de NTU Jimmy Hsia." La técnica también ajusta automáticamente el nivel del 'toque' delicado entre los sensores y el tejido, de modo que las señales eléctricas de alta calidad se miden sin cambiar las condiciones fisiológicas del tejido debido a la presión externa ".
"La idea es tomar métodos que tradicionalmente se hacen en geometría plana y hacerlos en tres dimensiones, "dice Cohen-Karni." Nuestros órganos son de naturaleza tridimensional. Durante muchos años, La electrofisiología se realizó utilizando solo células cultivadas en una placa de cultivo de tejidos 2-D. Pero ahora, estas asombrosas técnicas de electrofisiología se pueden aplicar a estructuras tridimensionales ".
