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科学家在微流控设备上模拟局部缺血情况

马萨诸塞州梅德福/索默维尔(2020年3月30日)-由塔夫茨大学生物医学工程师带领的研究人员发明了一种含有心肌细胞的微流控芯片,该芯片能够模拟心脏病发作后的低氧状况-特别是当心脏中的动脉被阻塞时然后在治疗后畅通无阻。该芯片包含放置在细胞外部和内部的电子传感器的多路复用阵列,这些传感器可以检测单个细胞膜上的电压的上升和下降,以及跨细胞层移动的电压波,从而导致细胞在芯片中一致地跳动。 ,就像他们内心深处一样。在降低设备内流体中的氧气含量后,传感器会检测心动过速的初始阶段(心跳加快),

这项发表在《纳米快报》上的研究在理解细胞水平对缺血性心脏病发作的电生理反应方面取得了重大进展,并且可以应用于未来的药物开发。该论文被美国化学学会选为“编辑选择”,并且可以免费获取。

心血管疾病(CVD)仍然是全球范围内导致死亡的主要原因,大多数患者患有心脏缺血-当向心脏供血的动脉被部分或完全阻塞时,就会发生这种情况。如果长时间出现局部缺血,则心脏组织会缺氧(一种称为“缺氧”的状况),并可能导致组织死亡或心肌梗塞。由缺氧引起的心脏细胞和组织的变化包括跨细胞膜的电势变化,神经递质的释放,基因表达的改变,代谢功能的改变以及离子通道的激活或失活。

微流体芯片中使用的生物传感器技术将可以提供电压模式的细胞外读数的多电极阵列与进入膜的纳米柱探针相结合,以读取每个细胞内的电压水平(动作电位)。芯片中的微小通道使研究人员能够连续而精确地调节流过细胞的流体,将氧气水平降低至1-4%以模仿缺氧,或将氧气水平提高至21%以模拟正常情况。变化的条件旨在模拟当动脉被阻塞并随后通过治疗重新打开时,心脏细胞发生的情况。

Brian Timko说:“芯片上心脏模型是一种用于疾病建模的强大工具,但是目前缺少在这些系统中研究电生理的工具,因为它们要么难以复用,要么最终对细胞造成损害。”塔夫茨大学工程学院生物医学工程助理教授,以及该研究的通讯作者。分子之间的信号通路以及最终的电生理过程在缺氧时迅速发生,并且我们的设备可以同时为大量细胞实时捕获大量此类信息。”

经过测试,细胞外电极阵列提供了穿过心脏细胞层的电压波的二维图,并显示了在正常(21%)氧气水平下的可预测波型。相比之下,研究人员观察到当氧气减少到1%时,波形会出现不稳定和较慢的变化。

细胞内纳米探针传感器提供了每个细胞内动作电位的非常精确的图像。这些传感器排列成一排细小的铂金针头,细胞像钉子一样放在其上。当受到电场刺激时,针会刺穿细胞膜,在那里它们可以以单细胞分辨率开始进行测量。两种类型的设备都是使用光刻技术(用于创建集成电路的技术)创建的,该技术使研究人员能够获得具有高度可复制特性的设备阵列。

细胞外和细胞内传感器一起提供了模型化的缺血性发作的电生理效应的信息,包括细胞功能失调然后对治疗产生反应时的“时间流逝”。这样,微流控芯片可以构成药物发现中高通量平台的基础,从而确定有助于细胞和组织更快恢复正常功能的治疗剂。

Timko说:“将来,我们可以超越缺氧的影响,并考虑其他导致急性心脏病的因素,例如酸中毒,营养缺乏和废物堆积,只需改变培养基的组成和流动即可。”“我们还可以结合不同类型的传感器来检测响应压力而表达的特定分子。”

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