2025년 7월 18일
이 프로토콜은 광학 및 전기 양방향 생체 인터페이스를 위한 고급 재료 제조 및 생체 외 쥐 심장 방법을 간략하게 설명하여 생체 전자 연구를 위한 정확한 심장 자극, 기록 및 경색 모델링을 가능하게 합니다.
우리는 심장 자극 및 감지를 위한 광전자 및 전자 재료를 평가하기 위해 생체 외 심장 모델을 개발하여 벤치탑 혁신과 중개 생체전자 응용 분야를 연결합니다. 우리는 실제 조직에서 유선 및 무선 생체 전자 재료를 모두 평가하기 위해 통제된 비유전적 생체 외 심장 모델을 제공함으로써 시험관 내 및 생체 내 사이의 격차를 해소합니다. 당사의 프로토콜은 생리학적 관련성과 정밀한 제어를 결합하여 전체 박동하는 심장에서 물질에 대한 빠르고 재현 가능한 테스트를 가능하게 하여 다양한 장치에서 자극 및 감지 성능을 비교하는 데 이상적입니다.
우리는 심장 기능을 조절하는 치료 재료를 탐색하고 허혈 재관류 생체 외 모델을 사용하여 심근 경색 치료의 효율성을 검증합니다. 시작하려면 마취된 쥐의 발 중 하나를 꼬집어 전신 마취를 확인하고 반응이 관찰되지 않는 경우에만 진행하십시오. 그런 다음 가슴 바로 아래를 5cm 절개하여 흉곽을 엽니다.
가위를 사용하여 횡격막을 조심스럽게 잘라 심장과 폐를 노출시킵니다. 이제 양쪽의 갈비뼈를 잘라 흉곽을 완전히 엽니다. 지혈제를 사용하여 흉골에 열린 흉곽을 고정합니다.
두 번째 지혈제를 사용하여 심장 아래에서 대정맥을 잡습니다. 구부러진 뭉툭한 가위로 흉곽 바닥에 최대한 가깝게 지혈제 아래를 잘라 심장을 제거합니다. 심장을 얼음처럼 차가운 HBSS로 채워진 페트리 접시에 즉시 옮깁니다.
캐뉼라와 별도의 페트리 접시에 얼음처럼 차가운 HBSS를 완전히 채웁니다. 심장을 절편을 위해 완충액으로 미리 채워진 페트리 접시로 옮깁니다. 핀셋이나 가위를 사용하여 심장에 부착된 폐와 기타 결합 조직을 제거합니다.
그런 다음 심장을 부드럽게 누르고 혈액 경로를 따라 대동맥을 찾습니다. 대동맥궁이 보존되면 첫 번째 상행 동맥 아래를 절단합니다. 대동맥을 조심스럽게 캐뉼라합니다.
Langendorff 장치를 전산소화 작업 용액으로 프라이밍합니다. 완충 흐름을 열고 캐뉼라를 관류 장치에 조심스럽게 부착하여 기포가 시스템에 들어가지 않도록 합니다. 관류가 시작되면 심장이 수축하기 시작하는 것을 관찰하십시오.
이제 작은 가위를 사용하여 심방이나 심방이의 일부를 잘라냅니다. 풍선을 좌심실에 삽입하기 전에 풍선을 완전히 수축시키십시오. 그런 다음 연결된 주사기를 사용하여 풍선에 물을 채웁니다.
그런 다음 BP 100 압력 프로브를 관류 라인과 물이 채워진 풍선에 연결하여 각각 좌심실압을 모니터링합니다. IA-400D 증폭기를 사용하여 좌심실압 및 ECG를 포함한 모든 신호 출력을 증폭합니다. HEPES Tyrode 완충액의 압력을 모니터링하고 80-100mm의 수은주의 최적 범위 내에서 유지되도록 조정하십시오.
주사기를 사용하여 풍선의 물의 양을 수정하여 기준선 좌심실압을 약 20mm의 수은으로 설정합니다. 사용자 선호도에 따라 캐뉼라를 접지하고 심장의 측면, 상단 또는 정점에 전극선을 배치하여 심전도 전극을 연결합니다. 섭씨 37도로 예열된 HEPES Tyrode의 완충액으로 가열된 챔버를 채웁니다.
심장을 챔버에 담그고 마개를 돌려 완충액 흐름을 멈추고 전체 허혈을 유발합니다. 허혈 30분 후 마개를 돌려 완충액 흐름을 복원하고 재관류를 시작합니다. 경색 염색 실험을 종료하기 전에 심장을 45분 동안 관류시키십시오.
심박수의 감소와 불규칙한 ECG 신호를 관찰하여 허혈의 성공을 확인합니다. 장치와 심장 조직 사이에 양방향 광전기 인터페이스를 설정하려면 심장의 원하는 자극 부위에 실리콘 광전자 멤브레인을 배치합니다. 모세관력을 사용하여 심외막에 자체 부착되도록 합니다.
전극을 RHD 기록 시스템 또는 호환되는 전기생리학적 플랫폼에 연결합니다. 그런 다음 유연한 다중 전극 어레이를 고립된 심장의 심실 표면에 배치합니다. 이제 트랜지스터-트랜지스터 논리 신호를 사용하여 원하는 주파수와 듀티 사이클로 635나노미터 레이저 소스를 프로그래밍합니다.
레이저 빔을 1mm 지점에 초점을 맞추고 실리콘 멤브레인 위에 정렬합니다. 녹음 및 자극 프로토콜을 시작합니다. 심장의 지속적인 오버라이드 페이싱이 관찰될 때까지 레이저 강도를 점차적으로 증가시킵니다.
장치와 심장 조직 사이에 양방향 전극 기반 전기 인터페이스를 설정하려면 자극 전극을 2전극 구성으로 연결하여 좌심실 벽에 다공성 탄소 작동 전극을 배치하고 우심실 벽에 상대 전극을 배치합니다. 전위차계를 사용하여 심장의 성공적인 조율이 달성될 때까지 1밀리초 펄스 지속 시간으로 2밀리암페어와 같은 구형 전류 파형을 전달합니다. 심장 시스템의 효과적인 전기 변조 또는 감지를 위한 나노다공성 탄소 기반 플랫폼이 구축되었습니다.
1밀리암페어에서 4헤르츠 자극을 가했을 때. 금 및 나노다공성 탄소 코팅 금 전극 모두 나노다공성 탄소 그룹에서 더 높은 심전도 진폭이 관찰되어 효과적인 오버드라이브 페이싱을 달성했습니다. 두 전극 모두 펄스 지속 시간이 증가함에 따라 임계값 전류가 기하급수적으로 감소하는 것을 보여주었습니다.
평방 센티미터당 4밀리암페어의 자극 전류와 1밀리초 지속 시간에서 효과적인 페이싱에 필요한 임계값 전압은 금 전극의 경우 1.32볼트, 나노다공성 탄소 코팅 전극의 경우 0.90볼트였습니다. 16채널 나노 다공성 탄소 접목 금 전극은 심외막 심전도 신호 감지를 크게 향상시켜 표준 금 전극에 비해 신호 대 잡음비를 8배 향상시켰습니다. 허혈 재관류 경색의 성공적인 유도는 경색된 심장이 심근 손상을 나타내는 뚜렷한 흰색 영역을 나타내는 TTC 염색에 의해 실험 후 검증되었습니다.
실시간 모니터링 중에 허혈성 심장은 심박수가 크게 감소했습니다. 허혈성 심장의 다중 전극 어레이 매핑은 증가된 신호 지연으로 표시되는 심외막 전체의 전기 전도 속도가 감소한 것으로 나타났습니다.
이 프로토콜은 광학 및 전기 이중 방향 생체 인터페이싱을 위한 고급 소재 제조 및 흰쥐 심장 시험 방법을 설명하며, 바이오전자 연구를 위한 정밀한 심장 자극, 기록, 및 경색 모델링을 가능하게 합니다.
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.
This ex vivo heart model positions material and device validation at the intersection of early discovery, lead identification, and preclinical research for cardiac bioelectronics.