Interfaces électriques et optoélectroniques bidirectionnelles dans des cœurs de rat ex vivo sains et ischémiques

Nous avons développé un modèle cardiaque ex vivo pour évaluer les matériaux optoélectroniques et électroniques pour la stimulation et la détection cardiaques, en faisant le lien entre l’innovation de laboratoire et les applications bioélectroniques translationnelles. Nous comblons le fossé entre in vitro et in vivo en proposant un modèle cardiaque ex vivo contrôlé et non génétique pour évaluer les matériaux bioélectroniques filaires et sans fil dans des tissus réels. Notre protocole permet de tester rapidement et reproductiblement des matériaux dans des cœurs battants entiers, combinant pertinence physiologique et contrôle précis, idéal pour comparer les performances de stimulation et de détection entre différents appareils.

Nous explorons des matériaux thérapeutiques qui modulent la fonction cardiaque et validons leur efficacité dans le traitement de l’infarctus du myocarde à l’aide de notre modèle ex vivo de reperfusion d’ischémie. Pour commencer, confirmez l’anesthésie générale en pinçant l’une des pattes du rat anesthésié, et ne procédez que si aucune réponse n’est observée. Ensuite, faites une incision de cinq centimètres juste en dessous de la poitrine pour ouvrir la cage thoracique.

À l’aide de ciseaux, coupez soigneusement le diaphragme pour exposer le cœur et les poumons. Maintenant, coupez les côtes des deux côtés pour ouvrir complètement la cage thoracique. Fixez la cage thoracique ouverte au niveau du sternum à l’aide d’un hémostat.

Utilisez un deuxième hémostat pour tenir la veine cave sous le cœur. Coupez sous l’hémostat avec des ciseaux émoussés courbés aussi près que possible du bas de la cage thoracique pour retirer le cœur. Transférez immédiatement le cœur dans une boîte de Pétri remplie de HBSS glacée.

Remplissez complètement une canule et une boîte de Pétri séparée avec du HBSS glacé. Transférez le cœur dans la boîte de Pétri, pré-remplie avec le tampon pour la section. Utilisez une pince à épiler ou des ciseaux pour retirer les poumons et les autres tissus conjonctifs attachés au cœur.

Ensuite, appuyez doucement sur le cœur et tracez le chemin sanguin pour localiser l’aorte. Si l’arc aortique est préservé, coupez sous la première artère ascendante. Canulez l’aorte avec soin.

Amorcez l’appareil Langendorff avec une solution de travail préoxygénée. Ouvrez le débit tampon et fixez soigneusement la canule à l’appareil de perfusion, en veillant à ce qu’aucune bulle d’air ne pénètre dans le système. Observez que le cœur commence à se contracter une fois que la perfusion commence.

Maintenant, coupez une partie des oreillettes ou de l’appendice auriculaire à l’aide de petits ciseaux. Avant d’insérer le ballonnet dans le ventricule gauche, dégonflez-le complètement. Ensuite, utilisez la seringue connectée pour remplir le ballon d’eau.

Ensuite, connectez les sondes de pression BP 100 à la ligne de perfusion et aux ballons remplis d’eau pour surveiller respectivement la pression ventriculaire gauche. Amplifiez tous les signaux de sortie, y compris la pression ventriculaire gauche et l’ECG, à l’aide de l’amplificateur IA-400D. Surveillez la pression du tampon HEPES Tyrode et ajustez-la pour qu’elle reste dans la plage optimale de 80 à 100 millimètres de mercure.

Modifiez le volume d’eau dans le ballonnet à l’aide de la seringue pour régler la pression ventriculaire gauche de base à environ 20 millimètres de mercure. Connectez les électrodes de l’électrocardiogramme en mettant la canule à la terre et en plaçant les fils d’électrodes sur les côtés, en haut ou en haut du cœur selon les préférences de l’utilisateur. Remplissez la chambre chauffée avec le tampon HEPES Tyrode préchauffé à 37 degrés Celsius.

Immergez le cœur dans la chambre et tournez le robinet d’arrêt pour arrêter le flux tampon, induisant une ischémie globale. Après 30 minutes d’ischémie, tournez le robinet d’arrêt pour rétablir le flux tampon et initier la reperfusion. Laissez le cœur perfuser pendant 45 minutes avant de mettre fin à l’expérience de coloration de l’infarctus.

Vérifiez le succès de l’ischémie en observant une réduction de la fréquence cardiaque et des signaux ECG irréguliers. Pour établir des interfaces optoélectriques bidirectionnelles entre les dispositifs et le tissu cardiaque, placez une membrane optoélectronique en silicium sur le site de stimulation souhaité sur le cœur. Laissez-le s’auto-attacher à l’épicarde en utilisant la force capillaire.

Connectez les électrodes au système d’enregistrement RHD ou à une plate-forme électrophysiologique compatible. Ensuite, positionnez les réseaux multi-électrodes flexibles sur les surfaces ventriculaires du cœur isolé. Maintenant, programmez la source laser de 635 nanomètres avec la fréquence et le rapport cyclique souhaités à l’aide de signaux logiques transistor-transistor.

Focalisez le faisceau laser sur un point d’un millimètre et alignez-le sur la membrane de silicium. Démarrez le protocole d’enregistrement et de stimulation. Augmentez progressivement l’intensité du laser jusqu’à ce qu’une stimulation continue du cœur soit observée.

Pour établir des interfaces électriques bidirectionnelles basées sur des électrodes entre les dispositifs et le tissu cardiaque, connectez les électrodes de stimulation dans une configuration à deux électrodes, en plaçant une électrode de travail en carbone poreux sur la paroi ventriculaire gauche et une contre-électrode sur la paroi ventriculaire droite. À l’aide d’un potentiostat, délivrez des formes d’onde de courant carrées, telles que deux milliampères avec une durée d’impulsion d’une milliseconde, jusqu’à ce que la stimulation cardiaque soit réussie. Une plate-forme nanoporeuse à base de carbone pour la modulation électrique efficace ou la détection des systèmes cardiaques a été établie.

Sur quatre hertz stimulation à un milliampère. Les électrodes en or et en or recouvertes de carbone nanoporeux ont atteint une stimulation d’overdrive efficace, avec des amplitudes d’électrocardiogramme plus élevées observées dans le groupe du carbone nanoporeux. Les deux électrodes ont démontré une diminution exponentielle du courant de seuil avec l’augmentation de la durée d’impulsion.

Avec un courant de stimulation de quatre milliampères par centimètre carré et une durée d’une milliseconde, la tension de seuil requise pour une stimulation efficace était de 1,32 volt pour les électrodes en or et de 0,90 volt pour les électrodes nanoporeuses enrobées de carbone. Une électrode en or nanoporeuse greffée au carbone à 16 canaux a considérablement amélioré la détection du signal de l’électrocardiogramme épicardique, améliorant le rapport signal/bruit de huit fois par rapport aux électrodes en or standard. L’induction réussie de l’infarctus de reperfusion d’ischémie a été validée post-expérimentalement par coloration TTC, où les cœurs infarctus présentaient des régions blanches distinctes représentant des lésions myocardiques.

Lors de la surveillance en temps réel, les cœurs ischémiques ont montré une réduction significative de la fréquence cardiaque. La cartographie multi-électrodes des cœurs ischémiques a révélé une diminution de la vitesse de conduction électrique à travers l’épicarde, indiquée par une augmentation du retard du signal.