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JoVE Journal Bioengineering
A Cardiac Microphysiological System for Studying Ca2+ Propagation via Non-genetic Optical Stimulation

비유전적 광학 자극을 통한 Ca2+ 전파를 연구하기 위한 심장 미세생리학적 시스템

Full Text
1,441 Views
08:29 min
March 21, 2025

DOI: 10.3791/67823-v

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

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Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.

Overview

This research advances in vitro cardiac microphysiological models by integrating material-based photostimulation methods. It aims to overcome limitations in longevity and stimulation invasiveness, providing reliable tools for studying cardiac physiology and improving drug screening processes.

Key Study Components

Area of Science

  • Cardiac physiology
  • Photostimulation techniques
  • Drug screening

Background

  • Current methods in cardiac research often face challenges with invasiveness.
  • Optogenetics allows for genetic modification to control cellular activity.
  • Material-based phototransducers offer non-genetic alternatives for stimulation.
  • There is a need for improved consistency in light delivery to deep tissues.

Purpose of Study

  • To develop non-invasive methods for cardiac cell stimulation.
  • To enhance the longevity of cardiac microphysiological models.
  • To provide tools for better drug screening and disease modeling.

Methods Used

  • Integration of material-based photostimulation methods.
  • Utilization of optogenetics for cellular control.
  • Development of phototransducers for non-genetic stimulation.
  • Experimental optimization of light delivery and biocompatibility.

Main Results

  • Successful integration of photostimulation techniques in cardiac models.
  • Improved reliability in studying cardiac physiology.
  • Enhanced drug screening processes through non-invasive methods.
  • Identification of challenges in light delivery and phototransducer stability.

Conclusions

  • Material-based photostimulation represents a significant advancement in cardiac research.
  • Non-invasive methods preserve the natural state of cardiac cells.
  • Future work is needed to address experimental challenges in the field.

Frequently Asked Questions

What is photostimulation?
Photostimulation is a technique that uses light to control cellular activity, allowing for non-invasive stimulation of cells.
How does optogenetics work?
Optogenetics involves genetic modification to make cells responsive to light, enabling precise control over their activity.
What are phototransducers?
Phototransducers are materials that convert light into a form of energy that can stimulate cells without genetic modification.
What are the challenges in cardiac research?
Challenges include achieving consistent light delivery to deep tissues and ensuring the biocompatibility of stimulation methods.
What is the significance of this research?
This research provides valuable tools for studying cardiac physiology and improving drug screening processes through non-invasive techniques.

빛을 사용하여 심장 세포와 조직을 제어하면 비접촉 자극이 가능하여 세포의 자연 상태와 기능을 보존할 수 있으므로 기본 연구와 치료 응용 분야 모두에 유용한 접근 방식이 됩니다.

이 연구는 재료 기반 광자극 방법을 통합하여 체외 심장 미세생리학적 모델을 발전시키는 것을 목표로 합니다. 수명 및 자극 침습성의 한계를 극복하고, 심장 생리학을 연구하고, 약물 스크리닝 프로세스를 개선하고, 질병 모델링의 응용 프로그램을 육성하기 위한 신뢰할 수 있는 도구를 제공하는 데 중점을 둡니다. 최근 생체 자극 레버리지의 발전은 정밀한 비침습적 세포 제어와 같습니다.

광유전학은 유전자 변형을 통해 세포 활동을 조절할 수 있게 하며, 새로운 물질 기반 광변환기는 비유전적 대안을 제공합니다. 이 혁신은 다양한 응용 분야에서 뉴런, 심근세포 및 골격근 세포를 연구하고 조절하는 데 중요한 돌파구를 제공합니다. 현재 실험적 과제에는 심부 조직으로의 일관된 광 전달, 광변환기의 생체 적합성 및 안정성 최적화, 광 기반 자극 기술의 정밀도 개선이 포함됩니다.

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심장 미세생리학계 Ca2+ 전파 비유전적 광학 자극 체외 모델 광트랜스듀서 무선 자극 시간 해상도 공간 해상도 인간 유도 만능 줄기 세포 심근세포 3D 생물 반응기 현탁 배양 광조절 Ziapin2 칼슘 염료 전기 자극 심장 연구

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