Scienziati hanno modellato un attacco cardiaco su un chip (Video)

I ricercatori guidati da ingegneri biomedici dell’Università Tufts hanno creato un chip microfluidico contenente cellule cardiache in grado di imitare condizioni ipossiche a seguito di un attacco cardiaco, in particolare quando un’arteria è bloccata nel cuore e quindi è sbloccata dopo il trattamento. Il chip contiene array multiplex di sensori elettronici posizionati all’esterno e all’interno delle cellule in grado di rilevare l’aumento e la caduta della tensione attraverso le singole membrane cellulari, nonché le onde di tensione che si muovono attraverso lo strato cellulare, causando all’unisono il battito delle cellule nel chip, proprio come fanno nel cuore. I sensori dopo che è stato ridotto i livelli di ossigeno nel fluido all’interno del dispositivo, rilevano un periodo iniziale di tachicardia (battito accelerato), come mostrato nelle seguenti riproduzioni video:
– cellule cardiache in condizioni di ossigeno ridotto. I cardiomiociti HL-1 cresciuti nel chip ed esposti a bassi livelli di ossigeno (ipossia) mostrano una frequenza del battito rallentata e irregolare che imita l’aritmia osservata nell’arresto cardiaco (vedi video);
– i cardiomiociti HL-1 cresciuti nel chip battono all’unisono ad una velocità regolare in normali condizioni di ossigeno (vedi video).
La ricerca, pubblicata su Nano Letters, è stata selezionata dall’American Chemical Society come Editors’ Choice ed è disponibile con accesso aperto, rappresenta un progresso significativo verso la comprensione delle risposte elettrofisiologiche a livello cellulare agli attacchi di cuore ischemici, potrebbe essere applicata al futuro sviluppo di farmaci.
Le malattie cardiovascolari (CVD) rimangono la principale causa di morte in tutto il mondo, con la maggior parte dei pazienti che soffrono di ischemia cardiaca, si verifica quando un’arteria che fornisce sangue al cuore è parzialmente o completamente bloccata. L’ischemia (totale o parziale assenza di afflusso di sangue in un organo), se si verifica per un lungo periodo, il tessuto cardiaco affamato di ossigeno (una condizione chiamata ipossia) può portare alla morte dei tessuti o all’infarto del miocardio. I cambiamenti nelle cellule cardiache e nei tessuti indotti dall’ipossia comprendono cambiamenti nei potenziali di tensione attraverso la membrana cellulare, rilascio di neurotrasmettitori, cambiamenti nell’espressione genica, alterazioni delle funzioni metaboliche e attivazione o disattivazione dei canali ionici.
La tecnologia dei biosensori utilizzata nel chip microfluidico combina array multi-elettrodo in grado di fornire letture extracellulari di schemi di tensione, con sonde nanopillar che entrano nella membrana per rilevare letture dei livelli di tensione (potenziali d’azione) all’interno di ciascuna cellula. I piccoli canali nel chip consentono ai ricercatori di regolare in modo continuo e preciso il fluido che fluisce sulle cellule, abbassando i livelli di ossigeno a circa l’1-4 percento per imitare l’ipossia o aumentando l’ossigeno al 21 percento per modellare le condizioni normali. Le mutevoli condizioni hanno lo scopo di modellare ciò che accade alle cellule del cuore quando un’arteria è bloccata e quindi riaperta dal trattamento.
Brian Timko, assistente professore di ingegneria biomedica presso la Tufts University School of Engineering, corrispondente autore dello studio ha detto:
«I modelli heart-on-a-chip (cuore su chip) sono un potente strumento per modellare le malattie, gli strumenti attuali per studiare l’elettrofisiologia in quei sistemi sono in qualche modo carenti, poiché sono difficili da moltiplicare, eventualmente causare danni alle cellule. Le vie di segnalazione tra le molecole e, in definitiva, l’elettrofisiologia si verificano rapidamente durante l’ipossia, il nostro dispositivo può catturare molte di queste informazioni contemporaneamente in tempo reale per un grande insieme di cellule».
Gli array di elettrodi extracellulari quando testati hanno fornito una mappa bidimensionale delle onde di tensione che passano sopra lo strato di cellule cardiache. I ricercatori hanno rivelato un modello di onde prevedibile sotto livelli normali di ossigeno (21%); di contro, hanno osservato modelli di onde irregolari e più lente quando l’ossigeno è stato ridotto all’1%.
I sensori nanoprobe intracellulari hanno fornito un quadro straordinariamente accurato dei potenziali d’azione all’interno di ciascuna cellula, questi sensori erano disposti come una serie di minuscoli aghi a punta di platino su cui poggiano le cellule, simile a un letto di chiodi. Gli aghi quando stimolati con un campo elettrico, perforano attraverso la membrana cellulare, dove possono iniziare a misurare con la risoluzione di una singola cellula. Entrambi i tipi di dispositivi sono stati creati utilizzando la fotolitografia – la tecnologia utilizzata per creare circuiti integrati -, ha permesso ai ricercatori di realizzare array di dispositivi con proprietà altamente riproducibili.
I sensori extracellulari e intracellulari forniscono insieme informazioni sugli effetti elettrofisiologici di un attacco ischemico modellato, incluso un “lasso di tempo” di cellule quando diventano disfunzionali e quindi rispondono al trattamento. Il chip microfluidico potrebbe costituire la base di una piattaforma ad alto rendimento nella scoperta di farmaci, identificando le terapie che più rapidamente aiutano le cellule e i tessuti a ripristinare la normale funzione.
Brian Timko in conclusione ha detto:
«In futuro, possiamo guardare oltre gli effetti dell’ipossia e considerare altri fattori che contribuiscono alle malattie cardiache acute, come l’acidosi, la privazione dei nutrienti e l’accumulo di rifiuti, semplicemente modificando la composizione e il flusso del mezzo. Potremmo anche incorporare diversi tipi di sensori per rilevare molecole specifiche espresse in risposta alle sollecitazioni».

Pino Silvestri

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Pino Silvestri, blogger per diletto, fondatore, autore di Virtualblognews, presente su Facebook e Twitter.
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