健康和缺血 离体 大鼠心脏中的双向电和光电接口
2025年7月18日
该协议概述了用于光学和电双向生物接口的先进材料制造和 离体 大鼠心脏方法，为生物电子学研究提供精确的心脏刺激、记录和梗塞建模。
我们开发了一种离体心脏模型来评估用于心脏刺激和传感的光电和电子材料，将台式创新与转化生物电子应用联系起来。我们通过提供受控的非遗传离体心脏模型来评估真实组织中的有线和无线生物电子材料，从而弥合了体外和体内之间的差距。我们的方案能够对整个跳动心脏中的材料进行快速、可重复的测试，将生理相关性与精确控制相结合，非常适合比较不同设备的刺激和传感性能。
我们探索调节心脏功能的治疗材料，并使用我们的缺血再灌注离体模型验证其治疗心肌梗死的有效性。首先，通过捏住麻醉大鼠的一只爪子来确认全身麻醉，并且仅在没有观察到反应时才继续。然后，在胸部下方做一个五厘米的切口，打开胸腔。
用剪刀小心地剪开横膈膜，露出心脏和肺部。现在，切开两侧的肋骨，使胸腔完全打开。使用止血剂在胸骨处固定打开的胸腔。
使用第二个止血剂从心脏下方固定腔静脉。用弯曲的钝剪刀在止血钳下切开，尽可能靠近胸腔底部，以切除心脏。立即将心脏转移到装满冰冷HBSS的培养皿中。
用冰冷的 HBSS 完全填充插管和单独的培养皿。将心脏转移到培养皿中，预装缓冲液进行切片。使用镊子或剪刀去除附着在心脏上的肺部和其他结缔组织。
然后，轻轻按压心脏并追踪血路以定位主动脉。如果保留主动脉弓，则在第一升动脉下切开。小心地插管主动脉。
用预氧工作溶液灌注 Langendorff 设备。打开缓冲液流，小心地将插管连接到灌注装置上，确保没有气泡进入系统。观察灌注开始后心脏开始收缩。
现在，用小剪刀剪掉部分心房或心耳。在将球囊插入左心室之前，请将其完全放气。然后，使用连接的注射器将气球装满水。
接下来，将 BP 100 压力探头连接到灌注管和充满水的球囊，分别监测左心室压力。使用 IA-400D 放大器放大所有信号输出，包括左心室压和心电图。监测 HEPES Tyrode 缓冲液的压力并将其调整以保持在 80 至 100 毫米汞柱的最佳范围内。
使用注射器修改球囊中的水量，将基线左心室压设置为约 20 毫米汞柱。根据用户喜好，通过将插管接地并将电极线放置在心脏的侧面、顶部或顶端来连接心电图电极。用预热至 37 摄氏度的 HEPES Tyrode 缓冲液填充加热室。
将心脏浸入腔室并转动旋塞阀以停止缓冲液流动，从而诱发整体缺血。缺血 30 分钟后，转动旋塞阀以恢复缓冲液流量并启动再灌注。让心脏灌注45分钟，然后终止梗死染色实验。
通过观察心率降低和不规则心电图信号来验证缺血是否成功。要在设备和心脏组织之间建立双向光电接口，请将硅光电膜放置在心脏上所需的刺激部位。让它利用毛细血管力自附着在心外膜上。
将电极连接到 RHD 记录系统或兼容的电生理平台。然后，将柔性多电极阵列放置在孤立心脏的心室表面。现在，使用晶体管-晶体管逻辑信号以所需的频率和占空比对 635 纳米激光源进行编程。
将激光束聚焦到一毫米的光斑并将其对准硅膜上。开始记录和刺激协议。逐渐增加激光强度，直到观察到心脏的连续超控起跳。
为了在设备和心脏组织之间建立基于双向电极的电接口，请以双电极配置连接刺激电极，在左心室壁上放置一个多孔碳工作电极，在右心室壁上放置一个对电极。使用恒电位仪，传递方电流波形，例如两毫安和一毫秒脉冲持续时间，直到成功实现心脏起搏。建立了一种纳米多孔碳基平台，用于心脏系统的有效电调制或传感。
在一毫安的四赫兹刺激下。金和纳米多孔碳涂层金电极都实现了有效的过载起搏，在纳米多孔碳基团中观察到更高的心电图振幅。随着脉冲持续时间的增加，两个电极的阈值电流呈指数级下降。
在每平方厘米 4 毫安和 1 毫秒持续时间的刺激电流下，有效起搏所需的阈值电压对于金电极为 1.32 伏，对于纳米多孔碳涂层电极为 0.90 伏。16通道纳米多孔碳接枝金电极显著增强了心外膜心电图信号检测能力，信噪比标准金电极提高了8倍。缺血再灌注梗死的成功诱导在实验后通过TTC染色得到验证，其中梗死的心脏显示出代表心肌损伤的明显白色区域。
在实时监测期间，缺血性心脏表现出显着降低的心率。缺血性心脏的多电极阵列映射显示，心外膜的电传导速度降低，表现为信号延迟增加。
概述
该协议概述了用于光学和电气双向生物界面的先进材料制造和体外大鼠心脏方法，用于生物电子学研究中精确的心脏刺激、记录和心肌梗死建模。
关键研究组成部分
科学领域
- 生物电子学
- 心脏生理学
- 材料科学
背景
- 开发用于测试生物电子材料的体外心脏模型。
- 连接体外和体内研究。
- 用于评估心脏刺激和感应的受控环境。
- 使用缺血再灌注模型进行心肌梗死研究。
研究目的
- 评估用于心脏应用的光电和电子材料。
- 建立用于刺激和记录的双向接口。
- 验证用于治疗心肌梗死的治疗材料。
使用的方法
- 体外大鼠心脏模型的准备。
- 使用Langendorff装置进行心脏灌流。
- 监测左心室压力和心电图信号。
- 实施光学和电气刺激协议。
主要结果
- 使用纳米多孔碳电极成功起搏心脏。
- 提高了信噪比的心电图信号检测。
- 通过TTC染色验证缺血再灌注梗死。
- 使用治疗材料有效调节心脏功能。
结论
- 体外心脏模型可有效测试生物电子材料。
- 双向接口可以增强心脏研究。
- 治疗材料显示治疗心肌梗死的潜力。
常见问题
Executive Industry Relevance
Bidirectional electrical and optoelectronic interfacing in ex vivo rat hearts enables rapid, physiologically relevant validation of novel bioelectronic materials for cardiac applications. This approach bridges in vitro device innovation with translational cardiac research, supporting predictive confidence in material performance and disease modeling. The platform minimizes ethical and administrative barriers while accelerating early-stage portfolio decisions for next-generation cardiac bioelectronics.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables functional interrogation of new conductor and semiconductor materials in a whole-organ cardiac context.
- Supports mechanistic de-risking by directly measuring material impact on cardiac pacing and conduction.
- Facilitates comparative evaluation of device performance across healthy and disease-relevant (ischemic) states.
Screening & Assay Development
- Provides a reproducible, high-throughput platform for screening bioelectronic materials under controlled physiological conditions.
- Delivers quantitative outputs such as pacing thresholds, signal-to-noise ratios, and conduction velocities.
- Enables assay standardization for benchmarking device efficacy and safety prior to in vivo studies.
Translational & Preclinical Research
- Models myocardial infarction via ischemia-reperfusion, aligning material testing with disease-relevant endpoints.
- Supports translational continuity by validating device function in a system bridging in vitro and in vivo environments.
- Informs risk-adjusted advancement of candidate materials for preclinical cardiac bioelectronic applications.
Pipeline & Workflow Integration
This ex vivo heart model positions material and device validation at the intersection of early discovery, lead identification, and preclinical research for cardiac bioelectronics.
- Discovery Biology: Enables hypothesis testing of material-tissue interactions and functional cardiac modulation.
- Screening: Provides reproducible, quantitative readouts for device performance and safety metrics.
- Analytics: Supports high-resolution mapping, multichannel recording, and statistical comparison of device outputs.
- Translational Research: Bridges in vitro findings to disease-relevant preclinical models, supporting biomarker alignment.
- Enterprise Reuse: Establishes a standardized, scalable platform for ongoing material and device evaluation across programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in material performance and target validation for cardiac applications.
- Operational Value: Delivers standardized, reproducible workflows for rapid device screening and benchmarking.
- Strategic Value: Enables informed go/no-go decisions and reduces late-stage biological risk in cardiac device portfolios.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of next-generation bioelectronic materials.
Implementation Considerations
- Requires expertise in cardiac physiology, electrophysiology, and bioelectronic device integration.
- Needs access to Langendorff perfusion systems, multichannel recording platforms, and optoelectronic stimulation equipment.
- Demands rigorous cross-team standardization for reproducibility and data comparability.
- Adaptation may be needed for different animal models or disease states.
- Limitations include ex vivo model constraints and translation to chronic in vivo performance.
