Interfaces eléctricas y optoelectrónicas bidireccionales en corazones de rata ex vivo sanos e isquémicos

Desarrollamos un modelo de corazón ex vivo para evaluar materiales optoelectrónicos y electrónicos para la estimulación y detección cardíaca, uniendo la innovación de laboratorio con aplicaciones bioelectrónicas traslacionales. Cerramos la brecha entre in vitro e in vivo al ofrecer un modelo de corazón ex vivo controlado y no genético para evaluar materiales bioelectrónicos cableados e inalámbricos en tejido real. Nuestro protocolo permite realizar pruebas rápidas y reproducibles de materiales en corazones enteros que laten, combinando relevancia fisiológica con un control preciso, ideal para comparar el rendimiento de la estimulación y la detección en diferentes dispositivos.

Exploramos materiales terapéuticos que modulan la función cardíaca y validamos su eficiencia en el tratamiento del infarto de miocardio utilizando nuestro modelo ex vivo de reperfusión de isquemia. Para comenzar, confirme la anestesia general pellizcando una de las patas de la rata anestesiada y proceda solo si no se observa respuesta. Luego, haga una incisión de cinco centímetros justo debajo del pecho para abrir la caja torácica.

Con unas tijeras, corte con cuidado el diafragma para exponer el corazón y los pulmones. Ahora, corte las costillas de ambos lados para abrir completamente la caja torácica. Asegure la caja torácica abierta en el esternón con un hemostático.

Use un segundo hemostático para sostener la vena cava desde debajo del corazón. Corte debajo del hemostático con unas tijeras sin filo dobladas lo más cerca posible de la parte inferior de la caja torácica para extirpar el corazón. Transfiera el corazón inmediatamente a una placa de Petri llena de HBSS helado.

Llene completamente una cánula y una placa de Petri separada con HBSS helado. Transfiera el corazón a la placa de Petri, precargada con el tampón para seccionar. Use pinzas o tijeras para extraer los pulmones y otros tejidos conectivos adheridos al corazón.

Luego, presione suavemente el corazón y trace el camino de la sangre para localizar la aorta. Si el arco aórtico está preservado, corte debajo de la primera arteria ascendente. Canular la aorta con cuidado.

Imprime el aparato Langendorff con una solución de trabajo preoxigenada. Abra el flujo de amortiguación y conecte la cánula al aparato de perfusión con cuidado, asegurándose de que no entren burbujas de aire en el sistema. Observe que el corazón comienza a contraerse una vez que comienza la perfusión.

Ahora, corte parte de las aurículas o el apéndice auricular con unas tijeras pequeñas. Antes de insertar el globo en el ventrículo izquierdo, desínflelo por completo. Luego, use la jeringa conectada para llenar el globo con agua.

A continuación, conecte las sondas de presión BP 100 a la línea de perfusión y los balones llenos de agua para controlar la presión ventricular izquierda, respectivamente. Amplifique todas las salidas de señal, incluida la presión ventricular izquierda y el ECG, utilizando el amplificador IA-400D. Monitoree la presión del tampón de HEPES Tyrode y ajústelo para mantenerse dentro del rango óptimo de 80 a 100 milímetros de mercurio.

Modifique el volumen de agua en el globo con la jeringa para establecer la presión ventricular izquierda basal en aproximadamente 20 milímetros de mercurio. Conecte los electrodos del electrocardiograma conectando a tierra la cánula y colocando los cables de los electrodos a los lados, la parte superior o el vértice del corazón según las preferencias del usuario. Llene la cámara calentada con el tampón de HEPES Tyrode precalentado a 37 grados centígrados.

Sumerja el corazón en la cámara y gire la llave de paso para detener el flujo tampón, induciendo isquemia global. Después de 30 minutos de isquemia, gire la llave de paso para restaurar el flujo tampón e iniciar la reperfusión. Deje que el corazón se perfunda durante 45 minutos antes de finalizar el experimento de tinción de infarto.

Verifique el éxito de la isquemia observando una reducción en la frecuencia cardíaca y señales irregulares de ECG. Para establecer interfaces optoeléctricas bidireccionales entre los dispositivos y el tejido cardíaco, coloque una membrana optoelectrónica de silicio en el sitio de estimulación deseado en el corazón. Deje que se adhiera al epicardio usando la fuerza capilar.

Conecte los electrodos al sistema de registro RHD o a una plataforma electrofisiológica compatible. Luego, coloque las matrices flexibles de electrodos múltiples en las superficies ventriculares del corazón aislado. Ahora, programe la fuente láser de 635 nanómetros con la frecuencia y el ciclo de trabajo deseados utilizando señales lógicas de transistor-transistor.

Enfoca el rayo láser en un punto de un milímetro y alinéalo sobre la membrana de silicio. Inicie el protocolo de grabación y estimulación. Aumente gradualmente la intensidad del láser hasta que se observe una estimulación continua del corazón.

Para establecer interfaces eléctricas bidireccionales basadas en electrodos entre los dispositivos y el tejido cardíaco, conecte los electrodos de estimulación en una configuración de dos electrodos, colocando un electrodo de trabajo de carbono poroso en la pared ventricular izquierda y un contraelectrodo en la pared ventricular derecha. Usando un potenciostato, administre formas de onda de corriente cuadrada, como dos miliamperios con una duración de pulso de milisegundos, hasta que se logre una estimulación exitosa del corazón. Se estableció una plataforma nanoporosa basada en carbono para la modulación eléctrica efectiva o la detección de sistemas cardíacos.

Con una estimulación de cuatro hercios a un miliamperio. Tanto los electrodos de oro como los de oro recubiertos de carbono nanoporoso lograron una estimulación de sobremarcha efectiva, con mayores amplitudes de electrocardiograma observadas en el grupo de carbono nanoporoso. Ambos electrodos demostraron una disminución exponencial en la corriente umbral con el aumento de la duración del pulso.

A una corriente de estimulación de cuatro miliamperios por centímetro cuadrado y una duración de un milisegundo, el voltaje umbral requerido para una estimulación efectiva fue de 1,32 voltios para electrodos de oro y 0,90 voltios para electrodos nanoporosos recubiertos de carbono. Un electrodo de oro injertado en carbono nanoporoso de 16 canales mejoró significativamente la detección de señales de electrocardiograma epicárdico, mejorando la relación señal-ruido en ocho veces en comparación con los electrodos de oro estándar. La inducción exitosa del infarto de isquemia por reperfusión se validó después de la experimentación mediante tinción TTC, donde los corazones infartados mostraron regiones blancas distintas que representan daño miocárdico.

Durante el monitoreo en tiempo real, los corazones isquémicos exhibieron una frecuencia cardíaca significativamente reducida. El mapeo de la matriz de electrodos múltiples de corazones isquémicos reveló una disminución de la velocidad de conducción eléctrica a través del epicardio, indicada por un mayor retraso de la señal.