Bidirektionale elektrische und optoelektronische Grenzflächen in gesunden und ischämischen ex vivo Rattenherzen

Wir haben ein Ex-vivo-Herzmodell entwickelt, um optoelektronische und elektronische Materialien für die Herzstimulation und -sensorik zu evaluieren und dabei eine Brücke zwischen Innovationen auf dem Prüfstand und translationalen bioelektronischen Anwendungen zu schlagen. Wir schließen die Lücke zwischen in vitro und in vivo, indem wir ein kontrolliertes, nicht-genetisches ex vivo Herzmodell anbieten, um sowohl drahtgebundene als auch drahtlose bioelektronische Materialien in echtem Gewebe zu bewerten. Unser Protokoll ermöglicht eine schnelle reproduzierbare Untersuchung von Materialien in ganzen schlagenden Herzen, wobei physiologische Relevanz mit präziser Kontrolle kombiniert wird, ideal für den Vergleich der Stimulations- und Sensorleistung über verschiedene Geräte hinweg.

Wir erforschen therapeutische Materialien, die die Herzfunktion modulieren und ihre Wirksamkeit bei der Behandlung von Myokardinfarkt mit Hilfe unseres Ischämie-Reperfusionsmodells ex vivo validieren. Bestätigen Sie zunächst die Vollnarkose, indem Sie eine der Pfoten der anästhesierten Ratte einklemmen, und fahren Sie nur fort, wenn keine Reaktion beobachtet wird. Machen Sie dann einen fünf Zentimeter langen Schnitt direkt unter der Brust, um den Brustkorb zu öffnen.

Schneiden Sie mit einer Schere vorsichtig durch das Zwerchfell, um Herz und Lunge freizulegen. Schneide nun die Rippen auf beiden Seiten durch, um den Brustkorb vollständig zu öffnen. Sichern Sie den geöffneten Brustkorb am Brustbein mit einem Hämostaten.

Verwenden Sie ein zweites Blutstillungsmittel, um die Hohlvene unterhalb des Herzens zu halten. Schneiden Sie mit einer gebogenen, stumpfen Schere so nah wie möglich an der Unterseite des Brustkorbs unter das Blutstillen, um das Herz zu entfernen. Füllen Sie das Herz sofort in eine Petrischale, die mit eiskaltem HBSS gefüllt ist.

Füllen Sie eine Kanüle und eine separate Petrischale vollständig mit eiskaltem HBSS. Übertragen Sie das Herz in die Petrischale, die mit dem Puffer zum Schneiden vorgefüllt ist. Verwenden Sie eine Pinzette oder eine Schere, um die Lunge und anderes Bindegewebe zu entfernen, das am Herzen befestigt ist.

Drücken Sie dann sanft auf das Herz und verfolgen Sie den Blutweg, um die Aorta zu lokalisieren. Wenn der Aortenbogen erhalten ist, unter der ersten aufsteigenden Arterie schneiden. Kanülieren Sie die Aorta vorsichtig.

Grundieren Sie den Langendorff-Apparat mit einer mit Sauerstoff angereicherten Arbeitslösung. Öffnen Sie den Pufferfluss und befestigen Sie die Kanüle vorsichtig an der Perfusionsapparatur, so dass keine Luftblasen in das System gelangen. Beobachte, wie sich das Herz zusammenzieht, sobald die Durchblutung beginnt.

Schneiden Sie nun mit einer kleinen Schere einen Teil der Vorhöfe oder des Vorhofohrs ab. Bevor Sie den Ballon in die linke Herzkammer einführen, lassen Sie ihn vollständig entleeren. Verwenden Sie dann die angeschlossene Spritze, um den Ballon mit Wasser zu füllen.

Schließen Sie anschließend die Drucksonden BP 100 an die Perfusionsleitung und die mit Wasser gefüllten Ballons an, um den linksventrikulären Druck zu überwachen. Verstärken Sie alle Signalausgänge, einschließlich linksventrikulärer Druck und EKG, mit dem IA-400D-Verstärker. Überwachen Sie den Druck des Puffers des HEPES Tyrode und passen Sie ihn so an, dass er im optimalen Bereich von 80 bis 100 Millimeter Quecksilbersäule bleibt.

Ändern Sie das Wasservolumen im Ballon mit der Spritze, um den linksventrikulären Ausgangsdruck auf etwa 20 Millimeter Quecksilbersäule einzustellen. Schließen Sie die Elektrokardiogramm-Elektroden an, indem Sie die Kanüle erden und die Elektrodendrähte je nach Benutzerwunsch an den Seiten, oben oder an der Spitze des Herzens platzieren. Füllen Sie die beheizte Kammer mit dem auf 37 Grad Celsius vorgewärmten Puffer von HEPES Tyrode.

Tauchen Sie das Herz in die Kammer und drehen Sie den Absperrhahn, um den Pufferfluss zu stoppen und eine globale Ischämie auszulösen. Drehen Sie nach 30 Minuten Ischämie den Absperrhahn, um den Pufferfluss wiederherzustellen und die Reperfusion einzuleiten. Lassen Sie das Herz 45 Minuten lang perfundieren, bevor Sie das Experiment zur Infarktfärbung beenden.

Überprüfen Sie den Erfolg der Ischämie, indem Sie eine Verringerung der Herzfrequenz und unregelmäßige EKG-Signale beobachten. Um bidirektionale optoelektrische Grenzflächen zwischen Geräten und Herzgewebe herzustellen, platzieren Sie eine optoelektronische Silikonmembran an der gewünschten Stimulationsstelle am Herzen. Lassen Sie es sich mit Kapillarkraft selbst am Epikard anheften.

Verbinden Sie die Elektroden mit dem RHD-Aufzeichnungssystem oder einer kompatiblen elektrophysiologischen Plattform. Positionieren Sie dann die flexiblen Multi-Elektroden-Arrays auf den ventrikulären Oberflächen des isolierten Herzens. Programmieren Sie nun die 635-Nanometer-Laserquelle mit der gewünschten Frequenz und dem gewünschten Tastverhältnis unter Verwendung von Transistor-Transistor-Logiksignalen.

Fokussieren Sie den Laserstrahl auf einen ein Millimeter großen Punkt und richten Sie ihn über der Siliziummembran aus. Starten Sie das Aufnahme- und Stimulationsprotokoll. Erhöhen Sie die Laserintensität allmählich, bis eine kontinuierliche Override-Stimulation des Herzens beobachtet wird.

Um bidirektionale elektrodenbasierte elektrische Grenzflächen zwischen Geräten und Herzgewebe zu etablieren, verbinden Sie die Stimulationselektroden in einer Zwei-Elektroden-Konfiguration, indem Sie eine poröse Arbeitselektrode aus Kohlenstoff an der linken ventrikulären Wand und eine Gegenelektrode an der rechten ventrikulären Wand platzieren. Geben Sie mit einem Potentiostaten Rechteckstrom-Wellenformen ab, z. B. zwei Milliampere mit einer Millisekunde Pulsdauer, bis eine erfolgreiche Stimulation des Herzens erreicht ist. Es wurde eine nanoporöse kohlenstoffbasierte Plattform für die effektive elektrische Modulation oder Sensorik von Herzsystemen etabliert.

Bei vier Hertz Stimulation bei einem Milliampere. Sowohl Gold- als auch nanoporöse kohlenstoffbeschichtete Goldelektroden erreichten eine effektive Overdrive-Stimulation, wobei in der nanoporösen Kohlenstoffgruppe höhere Elektrokardiogrammamplituden beobachtet wurden. Beide Elektroden zeigten eine exponentielle Abnahme des Schwellenstroms mit zunehmender Pulsdauer.

Bei einem Stimulationsstrom von vier Milliampere pro Quadratzentimeter und einer Millisekunde Dauer betrug die für eine effektive Stimulation erforderliche Schwellenspannung 1,32 Volt für Goldelektroden und 0,90 Volt für nanoporöse kohlenstoffbeschichtete Elektroden. Eine 16-Kanal-Nanoporöse, kohlenstofftransplantierte Goldelektrode verbesserte die Signaldetektion im epikardialen Elektrokardiogramm erheblich und verbesserte das Signal-Rausch-Verhältnis im Vergleich zu Standard-Goldelektroden um das Achtfache. Die erfolgreiche Induktion eines Ischämie-Reperfusionsinfarkts wurde postexperimentell durch TTC-Färbung validiert, wobei infarzierte Herzen deutliche weiße Regionen aufwiesen, die eine Myokardschädigung darstellten.

Während der Echtzeitüberwachung zeigten ischämische Herzen eine signifikant reduzierte Herzfrequenz. Die Kartierung von ischämischen Herzen mit mehreren Elektrodenarrays zeigte eine verringerte elektrische Leitungsgeschwindigkeit über das Epikard, was durch eine erhöhte Signalverzögerung angezeigt wurde.