Interfacce elettriche e optoelettroniche bidirezionali in cuori di ratto sani e ischemici ex vivo

Abbiamo sviluppato un modello di cuore ex vivo per valutare materiali optoelettronici e optoelettronici per la stimolazione e il rilevamento cardiaco, collegando l'innovazione da banco con le applicazioni bioelettroniche traslazionali. Colmiamo il divario tra in vitro e in vivo offrendo un modello cardiaco ex vivo controllato e non genetico per valutare materiali bioelettronici cablati e wireless in tessuti reali. Il nostro protocollo consente di eseguire test rapidi e riproducibili di materiali in cuori interi che battono, combinando la rilevanza fisiologica con un controllo preciso, ideale per confrontare le prestazioni di stimolazione e rilevamento tra diversi dispositivi.

Esploriamo materiali terapeutici che modulano la funzione cardiaca e ne convalidano l'efficienza nel trattamento dell'infarto del miocardio utilizzando il nostro modello ex vivo di riperfusione ischemica. Per iniziare, confermare l'anestesia generale pizzicando una delle zampe del ratto anestetizzato e procedere solo se non si osserva alcuna risposta. Quindi, fai un'incisione di cinque centimetri appena sotto il torace per aprire la gabbia toracica.

Usando le forbici, taglia con cura il diaframma per esporre il cuore e i polmoni. Ora, taglia le costole su entrambi i lati per aprire completamente la gabbia toracica. Fissare la gabbia toracica aperta allo sterno utilizzando un emostato.

Usa un secondo emostatico per tenere la vena cava da sotto il cuore. Taglia sotto l'emostatico con forbici smussate piegate il più vicino possibile alla parte inferiore della gabbia toracica per rimuovere il cuore. Trasferisci immediatamente il cuore in una capsula di Petri riempita con HBSS ghiacciato.

Riempi completamente una cannula e una capsula di Petri separata con HBSS ghiacciato. Trasferire il cuore nella capsula di Petri, preriempita con il tampone per il sezionamento. Usa una pinzetta o le forbici per rimuovere i polmoni e altri tessuti connettivi attaccati al cuore.

Quindi, premere delicatamente sul cuore e tracciare il percorso sanguigno per localizzare l'aorta. Se l'arco aortico è conservato, tagliare sotto la prima arteria ascendente. Incannulare accuratamente l'aorta.

Adescare l'apparato di Langendorff con soluzione di lavoro preossigenata. Aprire il flusso tampone e collegare con cura la cannula all'apparecchio di perfusione, assicurandosi che non entrino bolle d'aria nel sistema. Osservate che il cuore inizia a contrarsi una volta che inizia la perfusione.

Ora, taglia parte degli atri o dell'appendice atriale usando piccole forbici. Prima di inserire il palloncino nel ventricolo sinistro, sgonfiarlo completamente. Quindi, utilizzare la siringa collegata per riempire il palloncino con acqua.

Successivamente, collegare le sonde di pressione BP 100 alla linea di perfusione e ai palloncini riempiti d'acqua per monitorare rispettivamente la pressione ventricolare sinistra. Amplifica tutte le uscite del segnale, inclusa la pressione ventricolare sinistra e l'ECG, utilizzando l'amplificatore IA-400D. Monitora la pressione del tampone dell'HEPES Tyrode e regolala in modo che rimanga all'interno dell'intervallo ottimale da 80 a 100 millimetri di mercurio.

Modificare il volume d'acqua nel palloncino utilizzando la siringa per impostare la pressione ventricolare sinistra di base a circa 20 millimetri di mercurio. Collegare gli elettrodi dell'elettrocardiogramma mettendo a terra la cannula e posizionando i fili degli elettrodi ai lati, nella parte superiore o all'apice del cuore in base alle preferenze dell'utente. Riempire la camera riscaldata con il tampone HEPES Tyrode preriscaldato a 37 gradi Celsius.

Immergere il cuore nella camera e girare il rubinetto per arrestare il flusso tampone, inducendo l'ischemia globale. Dopo 30 minuti di ischemia, ruotare il rubinetto per ripristinare il flusso del tampone e avviare la riperfusione. Lasciare che il cuore persi per 45 minuti prima di terminare l'esperimento per colorazione per infarto.

Verificare il successo dell'ischemia osservando una riduzione della frequenza cardiaca e segnali ECG irregolari. Per stabilire interfacce optoelettriche bidirezionali tra i dispositivi e il tessuto cardiaco, posizionare una membrana optoelettronica in silicio sul sito di stimolazione desiderato sul cuore. Lascialo attaccare automaticamente all'epicardio usando la forza capillare.

Collegare gli elettrodi al sistema di registrazione RHD o a una piattaforma elettrofisiologica compatibile. Quindi, posizionare gli array di elettrodi multipli flessibili sulle superfici ventricolari del cuore isolato. Ora, programmate la sorgente laser a 635 nanometri con la frequenza e il ciclo di lavoro desiderati utilizzando segnali logici transistor-transistor.

Focalizzare il raggio laser su un punto di un millimetro e allinearlo sulla membrana di silicone. Avviare il protocollo di registrazione e stimolazione. Aumentare gradualmente l'intensità del laser fino a quando non si osserva una stimolazione continua del cuore.

Per stabilire interfacce elettriche bidirezionali basate su elettrodi tra i dispositivi e il tessuto cardiaco, collegare gli elettrodi di stimolazione in una configurazione a due elettrodi, posizionando un elettrodo di lavoro in carbonio poroso sulla parete ventricolare sinistra e un controelettrodo sulla parete ventricolare destra. Utilizzando un potenziostato, erogare forme d'onda di corrente quadra, come due milliampere con una durata dell'impulso di un millisecondo, fino a raggiungere la stimolazione del cuore. È stata creata una piattaforma nanoporosa a base di carbonio per un'efficace modulazione elettrica o rilevamento dei sistemi cardiaci.

Stimolazione a quattro hertz a un milliampere. Sia gli elettrodi in oro che quelli in oro nanoporoso rivestiti di carbonio hanno raggiunto un'efficace stimolazione overdrive, con ampiezze di elettrocardiogramma più elevate osservate nel gruppo del carbonio nanoporoso. Entrambi gli elettrodi hanno dimostrato una diminuzione esponenziale della corrente di soglia con l'aumentare della durata dell'impulso.

A una corrente di stimolazione di quattro milliampere per centimetro quadrato e una durata di un millisecondo, la tensione di soglia richiesta per una stimolazione efficace era di 1,32 volt per gli elettrodi d'oro e di 0,90 volt per gli elettrodi rivestiti di carbonio nanoporoso. Un elettrodo d'oro innestato in carbonio nanoporoso a 16 canali ha migliorato significativamente il rilevamento del segnale dell'elettrocardiogramma epicardico, migliorando il rapporto segnale/rumore di otto volte rispetto agli elettrodi d'oro standard. L'induzione riuscita dell'infarto da riperfusione ischemica è stata convalidata post-sperimentalmente mediante colorazione TTC, in cui i cuori infartuati mostravano regioni bianche distinte che rappresentavano il danno miocardico.

Durante il monitoraggio in tempo reale, i cuori ischemici hanno mostrato una frequenza cardiaca significativamente ridotta. La mappatura multi-elettrodo dei cuori ischemici ha rivelato una diminuzione della velocità di conduzione elettrica nell'epicardio, indicata da un aumento del ritardo del segnale.