健康および虚血 性ex vivo ラット心臓における双方向電気および光電子界面
2025年7月18日
このプロトコルは、光学的および電気的双方向バイオインターフェーシングのための高度な材料製造と ex vivo ラット心臓法の概要を説明し、バイオエレクトロニクス研究のための正確な心臓刺激、記録、および梗塞モデリングを可能にします。
私たちは、心臓刺激とセンシングのためのオプトエレクトロニクスおよび電子材料を評価するためのex vivo心臓モデルを開発し、ベンチトップのイノベーションとトランスレーショナルバイオエレクトロニクスアプリケーションを橋渡ししました。私たちは、実際の組織で有線および無線の両方の生体電子材料を評価するための制御された非遺伝的ex vivo心臓モデルを提供することにより、in vitroとin vivoの間のギャップを埋めます。当社のプロトコルは、生理学的関連性と正確な制御を組み合わせて、鼓動する心臓全体の材料の高速で再現性のあるテストを可能にし、さまざまなデバイス間で刺激とセンシングのパフォーマンスを比較するのに理想的です。
心機能を調節する治療材料を探索し、虚血再灌流ex vivoモデルを用いて心筋梗塞の治療効果を検証しています。まず、麻酔したラットの足の片方をつまんで全身麻酔を確認し、反応が観察されない場合にのみ続行します。次に、胸のすぐ下に5センチメートルの切開をして胸郭を開きます。
はさみを使って横隔膜を慎重に切り、心臓と肺を露出させます。次に、両側の肋骨を切り裂いて胸郭を完全に開きます。止血剤を使用して胸骨で開いた胸郭を固定します。
2番目の止血剤を使用して、心臓の下から大静脈を保持します。心臓を取り除くために、曲がった鈍いはさみで胸郭の底にできるだけ近い止血剤の下を切り取ります。心臓をすぐに氷冷のHBSSで満たされたペトリ皿に移します。
カニューレと別のペトリ皿に氷冷のHBSSを完全に充填します。心臓を切片用のバッファーをあらかじめ充填したペトリ皿に移します。ピンセットやハサミを使用して、心臓に付着した肺やその他の結合組織を取り除きます。
次に、心臓を軽く押し、血液の経路をたどって大動脈を見つけます。大動脈弓が保存されている場合は、最初の上行動脈の下に切り込みます。大動脈を慎重にカニューレ挿入します。
ランゲンドルフ装置を前酸素化作業溶液でプライミングします。バッファーフローを開き、カニューレを灌流装置に慎重に取り付け、気泡がシステムに入らないようにします。灌流が始まると心臓が収縮し始めるのを観察してください。
次に、小さなはさみを使用して心房または心耳の一部を切り取ります。バルーンを左心室に挿入する前に、完全に収縮させます。次に、接続された注射器を使用してバルーンに水を入れます。
次に、BP 100 圧力プローブを灌流ラインと水で満たされたバルーンに接続して、それぞれ左心室圧を監視します。IA-400Dアンプを使用して、左心室圧や心電図を含むすべての信号出力を増幅します。HEPES Tyrode のバッファーの圧力を監視し、水銀柱 80 から 100 ミリメートルの最適範囲内に収まるように調整します。
注射器を使用してバルーン内の水の量を変更し、ベースラインの左心室圧を約20ミリメートルの水銀柱に設定します。カニューレを接地し、ユーザーの好みに基づいて心臓の側面、上部、または頂点に電極線を配置して、心電図電極を接続します。加熱されたチャンバーに、摂氏37度に予熱したHEPES Tyrodeのバッファーを入れます。
心臓をチャンバーに沈め、活栓を回してバッファーの流れを止め、全体的な虚血を誘発します。虚血が30分続いた後、活栓を回してバッファーの流れを回復し、再灌流を開始します。梗塞染色の実験を終了する前に、心臓を45分間灌流させます。
心拍数の低下と不規則な心電図信号を観察することにより、虚血の成功を確認します。デバイスと心臓組織の間に双方向の光電気インターフェースを確立するには、心臓の目的の刺激部位にシリコン光電子膜を配置します。毛細管力を使用して心外膜に自己付着させます。
電極をRHD記録システムまたは互換性のある電気生理学的プラットフォームに接続します。次に、柔軟な多電極アレイを孤立した心臓の心室表面に配置します。次に、トランジスタ-トランジスタ論理信号を使用して、635ナノメートルのレーザー光源を目的の周波数とデューティサイクルでプログラムします。
レーザービームを 1 ミリメートルのスポットに焦点を合わせ、シリコン膜の上に位置合わせします。記録と刺激のプロトコルを開始します。心臓の継続的なオーバーライドペーシングが観察されるまで、レーザー強度を徐々に上げます。
デバイスと心臓組織の間に双方向の電極ベースの電気的インターフェースを確立するには、刺激電極を 2 電極構成で接続し、左心室壁に多孔質炭素作動電極を配置し、右心室壁に対電極を配置します。ポテンショスタットを使用して、心臓のペーシングが成功するまで、1ミリ秒のパルス持続時間で2ミリアンペアなどの方形電流波形を供給します。心臓系の効果的な電気変調またはセンシングのためのナノ多孔質炭素ベースのプラットフォームが確立されました。
1ミリアンペアで4ヘルツの刺激を受けると。金とナノ多孔質炭素でコーティングされた金電極の両方が効果的なオーバードライブペーシングを達成し、ナノ多孔質炭素グループでより高い心電図振幅が観察されました。両方の電極は、パルス持続時間の増加に伴いしきい値電流の指数関数的な減少を示しました。
1平方センチメートルあたり4ミリアンペアの刺激電流と1ミリ秒の持続時間で、効果的なペーシングに必要なしきい値電圧は、金電極で1.32ボルト、ナノ多孔質カーボンコーティング電極で0.90ボルトでした。16チャンネルのナノ多孔質カーボングラフト金電極は、心外膜心電図信号検出を大幅に強化し、標準的な金電極と比較して信号対雑音比を8倍向上させました。虚血再灌流梗塞の誘発の成功は、梗塞した心臓が心筋損傷を表す明確な白い領域を示した TTC 染色によって実験後に検証されました。
リアルタイムモニタリング中に、虚血性心臓は心拍数の大幅な低下を示しました。虚血性心臓の多電極アレイマッピングにより、信号遅延の増加によって示される、心外膜全体の電気伝導速度の低下が明らかになりました。
概要
このプロトコルは、生体電子工学研究のための光学的および電気的双方向バイオインターフェーシングを可能にし、正確な心臓刺激、記録、および梗塞モデリングを可能にする高度な材料製造およびラットの心臓ex vivo メソッドを概説しています。
主要な研究構成要素
科学の分野
- バイオエレクトロニクス
- 心臓生理学
- 材料科学
背景
- 生体電子材料のテストのためのex vivo 心臓モデルの開発。
- in vitro およびin vivo 研究の架け橋。
- 心臓刺激およびセンシングを評価するための制御環境。
- 心筋梗塞研究のための虚血再灌流モデルの使用。
研究目的
- 心臓用途のための光電子および電子材料を評価すること。
- 刺激と記録のための双方向インターフェースを確立すること。
- 心筋梗塞治療のための治療材料を検証すること。
使用方法
- ex vivo ラット心臓モデルの準備。
- 心臓灌流のためのLangendorff装置の使用。
- 左心室圧とECG信号のモニタリング。
- 光学的および電気的刺激プロトコルの実施。
主な結果
- ナノ多孔性炭素電極を使用した心臓のペースメイキングの成功。
- 信号対ノイズ比の向上による心電図信号検出の強化。
- TTC染色による虚血再灌流梗塞の検証。
- 治療材料を使用した心機能の効果的な調節。
結論
- ex vivo 心臓モデルは、生体電子材料のテストに効果的です。
- 双方向インターフェースは心臓研究を強化できます。
- 治療材料は心筋梗塞治療に有望です。
よくある質問
Executive Industry Relevance
Bidirectional electrical and optoelectronic interfacing in ex vivo rat hearts enables rapid, physiologically relevant validation of novel bioelectronic materials for cardiac applications. This approach bridges in vitro device innovation with translational cardiac research, supporting predictive confidence in material performance and disease modeling. The platform minimizes ethical and administrative barriers while accelerating early-stage portfolio decisions for next-generation cardiac bioelectronics.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables functional interrogation of new conductor and semiconductor materials in a whole-organ cardiac context.
- Supports mechanistic de-risking by directly measuring material impact on cardiac pacing and conduction.
- Facilitates comparative evaluation of device performance across healthy and disease-relevant (ischemic) states.
Screening & Assay Development
- Provides a reproducible, high-throughput platform for screening bioelectronic materials under controlled physiological conditions.
- Delivers quantitative outputs such as pacing thresholds, signal-to-noise ratios, and conduction velocities.
- Enables assay standardization for benchmarking device efficacy and safety prior to in vivo studies.
Translational & Preclinical Research
- Models myocardial infarction via ischemia-reperfusion, aligning material testing with disease-relevant endpoints.
- Supports translational continuity by validating device function in a system bridging in vitro and in vivo environments.
- Informs risk-adjusted advancement of candidate materials for preclinical cardiac bioelectronic applications.
Pipeline & Workflow Integration
This ex vivo heart model positions material and device validation at the intersection of early discovery, lead identification, and preclinical research for cardiac bioelectronics.
- Discovery Biology: Enables hypothesis testing of material-tissue interactions and functional cardiac modulation.
- Screening: Provides reproducible, quantitative readouts for device performance and safety metrics.
- Analytics: Supports high-resolution mapping, multichannel recording, and statistical comparison of device outputs.
- Translational Research: Bridges in vitro findings to disease-relevant preclinical models, supporting biomarker alignment.
- Enterprise Reuse: Establishes a standardized, scalable platform for ongoing material and device evaluation across programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in material performance and target validation for cardiac applications.
- Operational Value: Delivers standardized, reproducible workflows for rapid device screening and benchmarking.
- Strategic Value: Enables informed go/no-go decisions and reduces late-stage biological risk in cardiac device portfolios.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of next-generation bioelectronic materials.
Implementation Considerations
- Requires expertise in cardiac physiology, electrophysiology, and bioelectronic device integration.
- Needs access to Langendorff perfusion systems, multichannel recording platforms, and optoelectronic stimulation equipment.
- Demands rigorous cross-team standardization for reproducibility and data comparability.
- Adaptation may be needed for different animal models or disease states.
- Limitations include ex vivo model constraints and translation to chronic in vivo performance.
