p Pesquisadores liderados por engenheiros biomédicos da Tufts University inventaram um chip microfluídico contendo células cardíacas que é capaz de simular condições de hipóxia após um ataque cardíaco - especificamente quando uma artéria é bloqueada no coração e então desbloqueada após o tratamento. O chip contém matrizes multiplexadas de sensores eletrônicos colocados fora e dentro das células que podem detectar o aumento e a queda da voltagem através das membranas celulares individuais, bem como ondas de voltagem movendo-se através da camada celular, que faz com que as células batam em uníssono no chip, assim como eles fazem no coração. Depois de reduzir os níveis de oxigênio no fluido dentro do dispositivo, os sensores detectam um período inicial de taquicardia (taxa de batimento acelerado), seguido por uma redução na taxa de batimento e, eventualmente, arritmia que simula uma parada cardíaca. p A pesquisa, publicado em Nano Letras , é um avanço significativo para a compreensão das respostas eletrofisiológicas no nível celular a ataques cardíacos isquêmicos, e pode ser aplicado ao desenvolvimento futuro de medicamentos. O artigo foi selecionado pela American Chemical Society como Editors 'Choice, e está disponível com acesso aberto.

p A doença cardiovascular (DCV) continua sendo a principal causa de morte em todo o mundo, com a maioria dos pacientes sofrendo de isquemia cardíaca - que ocorre quando uma artéria que fornece sangue ao coração está parcial ou totalmente bloqueada. Se a isquemia ocorrer por um longo período, o tecido cardíaco fica sem oxigênio (uma condição chamada "hipóxia"), e pode levar à morte do tecido, ou enfarte do miocárdio. As mudanças nas células e tecidos cardíacos induzidas pela hipóxia incluem mudanças nos potenciais de voltagem através da membrana celular, liberação de neurotransmissores, mudanças na expressão do gene, funções metabólicas alteradas, e ativação ou desativação de canais iônicos.

p A tecnologia de biossensor usada no chip microfluídico combina matrizes de múltiplos eletrodos que podem fornecer leituras extracelulares de padrões de voltagem, com sondas nanopilares que entram na membrana para fazer leituras dos níveis de voltagem (potenciais de ação) dentro de cada célula. Minúsculos canais no chip permitem que os pesquisadores ajustem de forma contínua e precisa o fluido que flui sobre as células, redução dos níveis de oxigênio para cerca de 1-4 por cento para imitar a hipóxia ou aumento do oxigênio para 21 por cento para modelar condições normais. As mudanças nas condições visam modelar o que acontece com as células do coração quando uma artéria é bloqueada, e então reaberto por tratamento.

p "Os modelos Heart-on-a-chip são uma ferramenta poderosa para modelar doenças, mas as ferramentas atuais para estudar eletrofisiologia nesses sistemas estão um tanto faltando, porque são difíceis de multiplexar ou, eventualmente, causam danos às células, "disse Brian Timko, professor assistente de engenharia biomédica na Tufts University School of Engineering, e autor correspondente do estudo. "As vias de sinalização entre as moléculas e, em última análise, a eletrofisiologia ocorrem rapidamente durante a hipóxia, e nosso dispositivo pode capturar muitas dessas informações simultaneamente em tempo real para um grande conjunto de células. "

p Quando testado, os arranjos de eletrodos extracelulares forneceram um mapa bidimensional de ondas de voltagem que passam sobre a camada de células cardíacas, e revelou um padrão de onda previsível em níveis normais (21 por cento) de oxigênio. Em contraste, os pesquisadores observaram padrões de onda erráticos e mais lentos quando o oxigênio foi reduzido para 1 por cento.

p Os sensores de nanossonda intracelular forneceram uma imagem extremamente precisa dos potenciais de ação dentro de cada célula. Esses sensores foram organizados como uma série de minúsculas agulhas com ponta de platina sobre as quais as células repousam, como uma cama de pregos. Quando estimulado com um campo elétrico, as agulhas perfuram a membrana celular, onde eles podem começar a fazer medições em resolução de célula única. Ambos os tipos de dispositivos foram criados usando fotolitografia - a tecnologia usada para criar circuitos integrados - que permitiu aos pesquisadores obter matrizes de dispositivos com propriedades altamente reproduzíveis.

p Os sensores extracelulares e intracelulares juntos fornecem informações dos efeitos eletrofisiológicos de um ataque isquêmico modelado, incluindo um "lapso de tempo" das células à medida que se tornam disfuncionais e respondem ao tratamento. Como tal, o chip microfluídico pode formar a base de uma plataforma de alto rendimento na descoberta de medicamentos, identificar terapêuticas que ajudam as células e tecidos a recuperarem a função normal mais rapidamente.

p "No futuro, podemos olhar além dos efeitos da hipóxia e considerar outros fatores que contribuem para doenças cardíacas agudas, como acidose, privação de nutrientes e acúmulo de resíduos, simplesmente modificando a composição e o fluxo do meio, ", disse Timko." Também poderíamos incorporar diferentes tipos de sensores para detectar moléculas específicas expressas em resposta a tensões. "