Investigadores dirigidos por ingenieros biomédicos de la Universidad de Tufts inventaron un chip de microfluidos que contiene células cardíacas que es capaz de imitar condiciones hipóxicas después de un ataque cardíaco, específicamente cuando una arteria se bloquea en el corazón y luego se desbloquea después del tratamiento. El chip contiene matrices multiplexadas de sensores electrónicos colocados fuera y dentro de las celdas que pueden detectar el aumento y la caída de voltaje en las membranas celulares individuales. así como las ondas de voltaje que se mueven a través de la capa celular, que hacen que las células laten al unísono en el chip, tal como lo hacen en el corazón. Después de reducir los niveles de oxígeno en el líquido dentro del dispositivo, los sensores detectan un período inicial de taquicardia (frecuencia de latidos acelerada), seguido de una reducción en la frecuencia de los latidos y, finalmente, una arritmia que imita un paro cardíaco.

La investigación, publicado en Nano letras , es un avance significativo hacia la comprensión de las respuestas electrofisiológicas a nivel celular a los ataques cardíacos isquémicos, y podría aplicarse al futuro desarrollo de medicamentos. El artículo fue seleccionado por la American Chemical Society como Editors 'Choice, y está disponible con acceso abierto.

La enfermedad cardiovascular (ECV) sigue siendo la principal causa de muerte en todo el mundo, con la mayoría de los pacientes que sufren de isquemia cardíaca, que ocurre cuando una arteria que suministra sangre al corazón está parcial o totalmente bloqueada. Si la isquemia ocurre durante un período prolongado, el tejido cardíaco carece de oxígeno (una condición llamada "hipoxia"), y puede provocar la muerte del tejido, o infarto de miocardio. Los cambios en las células y tejidos cardíacos inducidos por la hipoxia incluyen cambios en los potenciales de voltaje a través de la membrana celular, liberación de neurotransmisores, cambios en la expresión genética, funciones metabólicas alteradas, y activación o desactivación de canales iónicos.

La tecnología de biosensor utilizada en el chip de microfluidos combina matrices de electrodos múltiples que pueden proporcionar lecturas extracelulares de patrones de voltaje, con sondas nanopilares que ingresan a la membrana para tomar lecturas de los niveles de voltaje (potenciales de acción) dentro de cada celda. Pequeños canales en el chip permiten a los investigadores ajustar de manera continua y precisa el fluido que fluye sobre las células, reducir los niveles de oxígeno a aproximadamente el 1-4 por ciento para imitar la hipoxia o aumentar el oxígeno al 21 por ciento para modelar las condiciones normales. Las condiciones cambiantes están destinadas a modelar lo que les sucede a las células del corazón cuando se bloquea una arteria, y luego reabierto por tratamiento.

"Los modelos de corazón en un chip son una herramienta poderosa para modelar enfermedades, pero las herramientas actuales para estudiar la electrofisiología en esos sistemas son algo deficientes, ya que son difíciles de multiplexar o eventualmente causan daño a las células, "dijo Brian Timko, profesor asistente de ingeniería biomédica en la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Tufts, y autor correspondiente del estudio. "Las vías de señalización entre moléculas y, en última instancia, la electrofisiología se producen rápidamente durante la hipoxia, y nuestro dispositivo puede capturar gran parte de esta información simultáneamente en tiempo real para un gran conjunto de células ".

Cuando se prueba, las matrices de electrodos extracelulares proporcionaron un mapa bidimensional de ondas de voltaje que pasaban sobre la capa de células cardíacas, y reveló un patrón de onda predecible por debajo de los niveles normales de oxígeno (21 por ciento). A diferencia de, los investigadores observaron patrones de ondas erráticos y más lentos cuando el oxígeno se redujo al 1 por ciento.

Los sensores de nanoprobe intracelulares proporcionaron una imagen notablemente precisa de los potenciales de acción dentro de cada celda. Estos sensores se organizaron como una serie de diminutas agujas con punta de platino sobre las que descansan las células, como un lecho de clavos. Cuando se estimula con un campo eléctrico, las agujas perforan la membrana celular, donde pueden comenzar a tomar medidas con una resolución de celda única. Ambos tipos de dispositivos se crearon mediante fotolitografía, la tecnología utilizada para crear circuitos integrados, lo que permitió a los investigadores lograr matrices de dispositivos con propiedades altamente reproducibles.

Los sensores extracelulares e intracelulares juntos proporcionan información de los efectos electrofisiológicos de un ataque isquémico modelado, incluyendo un "lapso de tiempo" de las células a medida que se vuelven disfuncionales y luego responden al tratamiento. Como tal, el chip de microfluidos podría constituir la base de una plataforma de alto rendimiento en el descubrimiento de fármacos, Identificar terapias que ayuden a que las células y los tejidos recuperen su función normal más rápidamente.

"En el futuro, podemos mirar más allá de los efectos de la hipoxia y considerar otros factores que contribuyen a la enfermedad cardíaca aguda, como la acidosis, privación de nutrientes y acumulación de desechos, simplemente modificando la composición y el flujo del medio, ", dijo Timko." También podríamos incorporar diferentes tipos de sensores para detectar moléculas específicas expresadas en respuesta a tensiones ".