Os medicamentos controlados permitiram que milhões de americanos com condições médicas crônicas vivessem mais e com mais satisfação, mas muitos novos medicamentos promissores nunca chegam ao estágio de testes em humanos devido ao potencial de toxicidade cardíaca.

Por meio da tecnologia "heart-on-a-chip" - modelando um coração humano em um chip projetado e medindo os efeitos da exposição a compostos nas funções do tecido cardíaco usando microeletrodos - os pesquisadores do Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) esperam diminuir o tempo necessário para novos testes de medicamentos e garantem que medicamentos potencialmente salvadores sejam seguros e eficazes, ao mesmo tempo que reduz a necessidade de testes em humanos e animais. A pesquisa faz parte do projeto iCHIP (plataforma de investigação humana baseada em chip in-vitro) do laboratório, que replica sistemas humanos em plataformas projetadas para testar os efeitos de compostos químicos e biológicos tóxicos.

A pesquisa, publicado online em 18 de abril na revista Lab on a Chip , descreve a gravação bem-sucedida de sinais elétricos e batimentos celulares de células normais do coração humano cultivadas em uma matriz de múltiplos eletrodos desenvolvida no laboratório. É o primeiro design, de acordo com os pesquisadores, capaz de mapear simultaneamente a eletrofisiologia e a frequência de contração das células.

"Esta plataforma permite que você faça uma triagem de alto rendimento de drogas farmacêuticas e preveja seus efeitos no coração, "disse a investigadora principal do iCHIP, Elizabeth Wheeler." Esta pesquisa nos permite medir duas funções do coração, contração e eletrofisiologia, pela primeira vez. Ainda há validação e dados de que precisamos, mas, eventualmente, nos permitiria reduzir a necessidade de testes em animais. "

Os pesquisadores disseram que a capacidade de registrar essas duas funções seria útil para as empresas farmacêuticas porque poderia alertar os fabricantes de medicamentos sobre problemas cardíacos causados ​​por um medicamento no início do processo, antes de chegar ao estágio de ensaio clínico. A cardiotoxicidade é um efeito colateral frequente de muitos novos medicamentos e muitas vezes contribui para o seu fracasso final. Outros medicamentos frequentemente prescritos, como agentes quimioterápicos, também são conhecidos por serem cardiotóxicos. A pesquisa usando o chip do coração pode fornecer informações experimentais sobre como as drogas funcionam, de modo que novos compostos possam ser projetados para evitar essas armadilhas.

"Os problemas cardíacos podem ser causados ​​por vários motivos diferentes, "disse o pesquisador do LLNL Fang Qian, o autor principal do artigo. "Pode ser devido à condução anormal do sinal elétrico por todo o coração (como arritmia), ou força de contração enfraquecida dos músculos do coração (como cardiomiopatia), ou ambos. Uma plataforma que lê apenas uma única função não pode nos dizer exatamente o que está errado. "

O "coração em um chip, "que se baseia em pesquisas anteriores bem-sucedidas do iCHIP sobre os sistemas nervosos periférico e central, envolve o uso de células cardíacas humanas cultivadas por até nove dias no chip projetado. Surpreendentemente, essas células crescem natural e espontaneamente em um tecido cardíaco bidimensional que se contrai ou começa a "bater" após dois dias em cultura. O tecido foi exposto a norepinefrina, uma droga estimulante usada para tratar a pressão arterial baixa e insuficiência cardíaca, e tanto o sinal elétrico quanto o batimento aumentaram nas células, semelhante ao que aconteceria no corpo.

A mudança na "freqüência cardíaca" foi medida usando os eletrodos altamente sensíveis no arranjo de microeletrodos. Os pesquisadores concluíram que a plataforma pode medir com precisão e de forma não invasiva o crescimento do tecido cardíaco, eletrofisiologia e batimento cardíaco simultaneamente e em tempo real.

"A verdadeira força da plataforma é ser capaz de medir os aspectos elétricos e mecânicos do coração ao mesmo tempo, "disse o pesquisador do LLNL Kris Kulp." Um dos produtos químicos que usamos para validar a plataforma na verdade desacopla o sinal elétrico da batida da célula. Quando as células foram expostas a este composto, os sinais elétricos continuaram normalmente, mas as células pararam de se contrair. Para desenvolver novos medicamentos com sucesso, precisamos saber todo o espectro de efeitos que eles podem ter na função celular. "

A parte mais desafiadora do crescimento das células, de acordo com o pesquisador de pós-doutorado do LLNL Chao Huang, estava olhando para diferentes densidades de semeadura de células para encontrar uma que pudesse permanecer viva por tempo suficiente, e poderia se contrair de forma mensurável e responder de forma semelhante ao que seria esperado em humanos. Anna Ivanovskaya, pesquisadora do LLNL, que trabalhou na modelagem e engenharia do circuito, disse que escolher a geometria certa para o chip também foi difícil porque o layout influencia o sinal elétrico. Ivanovskaya disse que ela e a equipe testaram quatro modificações diferentes do conjunto de eletrodos antes de escolher o correto.

Os cientistas do LLNL acreditam que com validação, uma plataforma heart-on-a-chip confiável poderia ser usada para superar algumas das limitações dos novos testes de drogas, e fornecer uma avaliação abrangente do funcionamento do coração na contramedida médica e no desenvolvimento de medicamentos. Eles alertam, Contudo, que mais testes são necessários.

"Com alto rendimento, triagem de alto conteúdo, você pode testar muitos medicamentos ao mesmo tempo e obter muitos dados de uma só vez, "Disse Qian." É impressionante quanto dinheiro e tempo são necessários para colocar as drogas no mercado. Isso pode acelerar o processo. "