ממשקים חשמליים ואופטו-אלקטרוניים דו-כיווניים בלבבות חולדות ex vivo בריאים ואיסכמיים

פיתחנו מודל לב ex vivo כדי להעריך חומרים אופטו-אלקטרוניים ואלקטרוניים לגירוי וחישה לבבית, ומגשר בין חדשנות על ספסל עם יישומים ביו-אלקטרוניים תרגומיים. אנו מגשרים על הפער בין in vitro ל-in vivo על ידי הצעת מודל לב ex vivo מבוקר ולא גנטי כדי להעריך חומרים ביו-אלקטרוניים קוויים ואלחוטיים ברקמה אמיתית. הפרוטוקול שלנו מאפשר בדיקה מהירה הניתנת לשחזור של חומרים בלבבות פועמים שלמים, המשלב רלוונטיות פיזיולוגית עם בקרה מדויקת, אידיאלי להשוואת ביצועי גירוי וחישה במכשירים שונים.

אנו חוקרים חומרים טיפוליים המווסתים את תפקוד הלב ומאמתים את יעילותם בטיפול באוטם שריר הלב באמצעות מודל הרפרפוזיה של איסכמיה ex vivo שלנו. כדי להתחיל, אשר הרדמה כללית על ידי צביטה של אחת מכפות החולדה המורדמת, והמשך רק אם לא נצפתה תגובה. לאחר מכן, בצע חתך של חמישה סנטימטרים ממש מתחת לחזה כדי לפתוח את כלוב הצלעות.

בעזרת מספריים חותכים בזהירות את הסרעפת כדי לחשוף את הלב והריאות. כעת, חותכים את הצלעות משני הצדדים כדי לפתוח את כלוב הצלעות במלואו. אבטח את כלוב הצלעות הפתוח בעצם החזה באמצעות המוסטט.

השתמש בהמוסטט שני כדי להחזיק את הווריד הנבוב מתחת ללב. חותכים מתחת להמוסטט במספריים קהים כפופים קרוב ככל האפשר לתחתית כלוב הצלעות כדי להסיר את הלב. העבירו את הלב מיד לצלחת פטרי מלאה ב-HBSS קר כקרח.

ממלאים צינורית וצלחת פטרי נפרדת לחלוטין ב- HBSS קר כקרח. מעבירים את הלב לצלחת הפטרי, ממולאת מראש במאגר לחיתוך. השתמש בפינצטה או במספריים כדי להסיר את הריאות ורקמות חיבור אחרות המחוברות ללב.

לאחר מכן, לחץ על הלב בעדינות ועקוב אחר נתיב הדם כדי לאתר את אבי העורקים. אם קשת אבי העורקים נשמרת, יש לחתוך מתחת לעורק העולה הראשון. קנול את אבי העורקים בזהירות.

יש לחדש את מנגנון לנגנדורף בתמיסת עבודה מחומצנת מראש. פתח את זרימת החיץ והצמד את הצינורית למנגנון הזלוף בזהירות, וודא שלא ייכנסו בועות אוויר למערכת. שימו לב שהלב מתחיל להתכווץ ברגע שהזלוף מתחיל.

כעת, חתכו חלק מהפרוזדורים או נספח הפרוזדורים בעזרת מספריים קטנים. לפני הכנסת הבלון לחדר השמאלי, רוקנו אותו לחלוטין. לאחר מכן, השתמש במזרק המחובר כדי למלא את הבלון במים.

לאחר מכן, חבר את בדיקות הלחץ BP 100 לקו הזלוף ולבלונים המלאים במים כדי לנטר את לחץ החדר השמאלי בהתאמה. הגבירו את כל יציאות האות, כולל לחץ החדר השמאלי ואק"ג, באמצעות מגבר IA-400D. עקוב אחר הלחץ של המאגר של HEPES Tyrode והתאם אותו כך שיישאר בטווח האופטימלי של 80 עד 100 מילימטר כספית.

שנה את נפח המים בבלון באמצעות המזרק כדי להגדיר את לחץ החדר השמאלי הבסיסי לכ-20 מילימטר כספית. חבר את האלקטרודות של האלקטרוקרדיוגרמה על ידי הארקת הצינורית והנחת חוטי האלקטרודה בצדדים, בחלק העליון או בקודקוד הלב בהתאם להעדפת המשתמש. מלאו את החדר המחומם במאגר של HEPES Tyrode שחומם מראש ל-37 מעלות צלזיוס.

טבלו את הלב לתוך החדר וסובבו את תא העצירה כדי לעצור את זרימת החיץ, ולגרום לאיסכמיה גלובלית. לאחר 30 דקות של איסכמיה, סובב את תא העצירה כדי להחזיר את זרימת החיץ וליזום רפרפוזיה. אפשר ללב לחלחל במשך 45 דקות לפני סיום הניסוי לצביעה על אוטם.

ודא את הצלחת האיסכמיה על ידי התבוננות בהפחתת קצב הלב ואותות א.ק.ג לא סדירים. כדי ליצור ממשקים אופטו-חשמליים דו-כיווניים בין מכשירים לרקמת הלב, הנח ממברנה אופטו-אלקטרונית מסיליקון על אתר הגירוי הרצוי בלב. אפשר לו להיצמד לאפיקרדיום באמצעות כוח נימי.

חבר את האלקטרודות למערכת ההקלטה RHD או לפלטפורמה אלקטרופיזיולוגית תואמת. לאחר מכן, מקם את מערכי האלקטרודות הגמישים על משטחי החדרים של הלב המבודד. כעת, תכנת את מקור הלייזר של 635 ננומטר עם התדר ומחזור העבודה הרצויים באמצעות אותות לוגיים של טרנזיסטור-טרנזיסטור.

מקד את קרן הלייזר לנקודה של מילימטר אחד ויישר אותה מעל קרום הסיליקון. התחל את פרוטוקול ההקלטה והגירוי. הגדל בהדרגה את עוצמת הלייזר עד שנצפה קצב עקיפה רציף של הלב.

כדי ליצור ממשקים חשמליים דו-כיווניים מבוססי אלקטרודות בין מכשירים לרקמת הלב, חבר את אלקטרודות הגירוי בתצורה של שתי אלקטרודות, הנח אלקטרודת עבודה נקבובית מפחמן על דופן החדר השמאלי ואלקטרודה נגדית על דופן החדר הימני. באמצעות פוטנציוסטט, ספק צורות גל זרם מרובעות, כגון שני מיליאמפר עם משך פעימה של אלפית שנייה אחת, עד להשגת קצב מוצלח של הלב. הוקמה פלטפורמה מבוססת פחמן ננו-נקבובית לאפנון חשמלי יעיל או חישה של מערכות לב.

על גירוי של ארבעה הרץ במיליאמפר אחד. גם אלקטרודות זהב מצופות פחמן זהב וגם ננו-נקבוביות השיגו קצב יתר יעיל, עם אמפליטודות אלקטרוקרדיוגרמה גבוהות יותר שנצפו בקבוצת הפחמן הננו-נקבובי. שתי האלקטרודות הדגימו ירידה אקספוננציאלית בזרם הסף עם הגדלת משך הדופק.

בזרם גירוי של ארבעה מיליאמפר לסנטימטר רבוע ומשך אלפית שנייה אחת, מתח הסף הנדרש לקצב יעיל היה 1.32 וולט עבור אלקטרודות זהב ו-0.90 וולט עבור אלקטרודות מצופות פחמן ננו-נקבוביות. אלקטרודת זהב מושתלת פחמן ננו נקבובית בעלת 16 ערוצים שיפרה משמעותית את זיהוי אותות האלקטרוקרדיוגרמה האפיקרדיאלית, ושיפרה את יחס האות לרעש פי שמונה בהשוואה לאלקטרודות זהב סטנדרטיות. אינדוקציה מוצלחת של אוטם איסכמיה אומתה לאחר הניסוי על ידי צביעת TTC, כאשר לבבות אוטמים הראו אזורים לבנים מובהקים המייצגים נזק לשריר הלב.

במהלך ניטור בזמן אמת, לבבות איסכמיים הראו ירידה משמעותית בקצב הלב. מיפוי מערך מרובה אלקטרודות של לבבות איסכמיים חשף ירידה במהירות ההולכה החשמלית על פני האפיקרדיום, המעידה על עיכוב אות מוגבר.