Système microphysiologique cardiaque pour l’étude de la propagation du Ca2+ par stimulation optique non génétique

Chiara Florindi; Yongjun Jang; Kevin Shani; Paola Moretti; Chiara Bertarelli; Guglielmo Lanzani; Kevin Kit Parker; Francesco Lodola; Vito Vurro

doi:10.3791/67823

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Article de méthode

Système microphysiologique cardiaque pour l’étude de la propagation du Ca²⁺ par stimulation optique non génétique

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DOI :

10.3791/67823

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21 mars 2025

Chiara Florindi^*¹^,²^,³ , Yongjun Jang^*³ , Kevin Shani³ , Paola Moretti²^,⁴ , Chiara Bertarelli²^,⁴ , Guglielmo Lanzani²^,⁵ , Kevin Kit Parker³ , Francesco Lodola¹^,² , Vito Vurro²^,³^,⁶

¹Department of Biotechnology and Biosciences, University of Milano-Bicocca, ²Center for Nano Science and Technology, Istituto Italiano di Tecnologia, ³Disease Biophysics Group, John A. Paulson School of Engineering and Applied Science, Harvard University, ⁴Department of Chemistry, Materials and Chemical Engineering “Giulio Natta”, Politecnico di Milano, ⁵Department of Physics, Politecnico di Milano, ⁶Department of Physics and Astronomy, University of Bologna

^* These authors contributed equally

Dans cet article

Résumé

L’utilisation de la lumière pour contrôler les cellules et les tissus cardiaques permet une stimulation sans contact, préservant ainsi l’état et la fonction naturels des cellules, ce qui en fait une approche précieuse pour la recherche fondamentale et les applications thérapeutiques.

Résumé

Les modèles microphysiologiques cardiaques in vitro sont très fiables pour la recherche scientifique, le développement de médicaments et les applications médicales. Bien que largement acceptés par la communauté scientifique, ces systèmes sont encore limités en longévité en raison de l’absence de techniques de stimulation non invasives. Les phototransducteurs fournissent une méthode de stimulation efficace, offrant une approche sans fil avec une résolution temporelle et spatiale élevée tout en minimisant l’invasivité dans les processus de stimulation. Dans ce manuscrit, nous présentons une méthode entièrement optique pour stimuler et détecter l’activité d’un modèle microphysiologique cardiaque in vitro. Plus précisément, nous avons fabriqué des tissus anisotropes laminaires modifiés en ensemenceant des cardiomyocytes dérivés de cellules souches pluripotentes induites par l’homme (hiPSC-CM) générés dans une culture en suspension de bioréacteur 3D. Nous avons utilisé un phototransducteur, un dérivé amphiphile d’azobenzène, nommé Ziapin2, pour la stimulation et un colorant Ca²⁺ (X-Rhod 1) pour surveiller la réponse du système. Les résultats démontrent que Ziapin2 peut photomoduler les réponses Ca²⁺ dans le système utilisé sans compromettre l’intégrité, la viabilité ou le comportement des tissus. De plus, nous avons montré que l’approche de stimulation basée sur la lumière offre une résolution similaire à celle de la stimulation électrique, la référence actuelle. Dans l’ensemble, ce protocole ouvre des perspectives prometteuses pour l’application de Ziapin2 et de la photostimulation à base de matériaux dans la recherche cardiaque.

Introduction

L’utilisation de la lumière pour stimuler les cellules et les tissus vivants est en train de changer la donne dans la recherche biomédicale, offrant des capacités de stimulation sans contact avec une résolution temporelle et spatiale précise 1,2,3,4,5,6. L’optogénétique, qui consiste à modifier génétiquement les cellules pour exprimer des canaux ioniques sensibles à la lumière^ou des pompes ^7,8