Pesquisadores da Carnegie Mellon University (CMU) e da Nanyang Technological University, Cingapura (NTU Cingapura) desenvolveu uma plataforma de órgão em um chip eletrônico, que usa sensores bioelétricos para medir a eletrofisiologia das células do coração em três dimensões. Estes 3-D, matrizes de biossensores automáticos se enrolam sobre os tecidos esferóides das células cardíacas para formar um "órgão-em-e-chip, "permitindo assim aos pesquisadores estudar como as células se comunicam entre si em sistemas multicelulares como o coração.

A abordagem organ-on-e-chip ajudará a desenvolver e avaliar a eficácia dos medicamentos para o tratamento de doenças - talvez até permitindo que os pesquisadores façam a triagem de drogas e toxinas diretamente em um tecido semelhante ao humano, em vez de testar em tecido animal. A plataforma também será usada para lançar luz sobre a conexão entre os sinais elétricos do coração e as doenças, como arritmias. A pesquisa, publicado em Avanços da Ciência , permite que os pesquisadores investiguem processos em células de cultura que atualmente não são acessíveis, como desenvolvimento de tecido e maturação celular.

"Por décadas, eletrofisiologia foi feita usando células e culturas em superfícies bidimensionais, como pratos culturais, "diz o professor associado de engenharia biomédica (BME) e ciência e engenharia de materiais (MSE) Tzahi Cohen-Karni." Estamos tentando contornar o desafio de ler os padrões elétricos do coração em 3-D desenvolvendo uma maneira de embrulhar sensores em torno das células do coração e extraindo informações eletrofisiológicas desse tecido. "

A plataforma "organ-on-e-chip" começa como uma pequena, retângulo plano, não muito diferente de uma pulseira slap em microescala. Uma pulseira tapa começa como rígida, estrutura semelhante a uma régua, mas quando você libera a tensão, ela rapidamente se enrola e envolve o pulso.

O organ-on-e-chip começa de forma semelhante. Os pesquisadores fixam uma série de sensores feitos de eletrodos metálicos ou sensores de grafeno na superfície do chip, em seguida, retire uma camada inferior de germânio, que é conhecida como "camada sacrificial". Uma vez que esta camada sacrificial é removida, o conjunto de biossensores é liberado de seu porão e rola para cima da superfície em uma estrutura em forma de barril.

Os pesquisadores testaram a plataforma em esferóides cardíacos, ou organóides alongados feitos de células do coração. Esses esferóides cardíacos 3-D têm aproximadamente a largura de 2 a 3 fios de cabelo humanos. Enrolar a plataforma sobre o esferóide permite que os pesquisadores coletem leituras de sinais elétricos com alta precisão.

"Essencialmente, criamos matrizes de biossensores autorrolantes 3-D para explorar a eletrofisiologia de cardiomiócitos derivados de células-tronco pluripotentes induzidas, "diz a autora principal do estudo e estudante de Ph.D. da BME Anna Kalmykov." Esta plataforma poderia ser usada para fazer pesquisas sobre a regeneração e maturação do tecido cardíaco que potencialmente pode ser usada para tratar tecidos danificados após um ataque cardíaco, por exemplo, ou desenvolver novos medicamentos para tratar doenças. "

Por meio da colaboração com os laboratórios do Professor Adam Feinberg de BME / MSE e do ex-professor do CMU Jimmy Hsia, agora Reitor do Graduate College da NTU Singapore, os pesquisadores foram capazes de projetar uma prova de conceito e testá-los em esferóides de cardiomiócitos formados por micro-molde 3-D.

"A análise mecânica do processo de enrolamento nos permite controlar com precisão a forma dos sensores para garantir o contato adequado entre os sensores e o tecido cardíaco, "diz o professor Jimmy Hsia da NTU." A técnica também ajusta automaticamente o nível do delicado 'toque' entre os sensores e o tecido, de forma que sinais elétricos de alta qualidade sejam medidos sem alterar as condições fisiológicas do tecido devido à pressão externa. "

“A ideia é pegar métodos tradicionalmente feitos em geometria plana e aplicá-los em três dimensões, "diz Cohen-Karni." Nossos órgãos são 3-D por natureza. Por muitos anos, eletrofisiologia foi feita usando apenas células cultivadas em uma placa de cultura de tecidos 2-D. Mas agora, essas incríveis técnicas de eletrofisiologia podem ser aplicadas a estruturas 3-D. "