Bidirectionele elektrische en opto-elektronische interfaces in gezonde en ischemische ex vivo rattenharten

We ontwikkelden een ex vivo hartmodel om opto-elektronische en elektronische materialen voor hartstimulatie en -detectie te evalueren, waarbij we een brug sloegen tussen benchtop-innovatie en translationele bio-elektronische toepassingen. We overbruggen de kloof tussen in vitro en in vivo door een gecontroleerd, niet-genetisch ex vivo hartmodel aan te bieden om zowel bedrade als draadloze bio-elektronische materialen in echt weefsel te evalueren. Ons protocol maakt het mogelijk om snel reproduceerbaar materialen in hele kloppende harten te testen, waarbij fysiologische relevantie wordt gecombineerd met nauwkeurige controle, ideaal voor het vergelijken van stimulatie- en detectieprestaties op verschillende apparaten.

We onderzoeken therapeutische materialen die de hartfunctie moduleren en valideren hun efficiëntie bij de behandeling van een hartinfarct met behulp van ons ischemie-reperfusie ex vivo model. Bevestig om te beginnen de algehele anesthesie door in een van de poten van de verdoofde rat te knijpen en ga alleen verder als er geen reactie wordt waargenomen. Maak vervolgens een incisie van vijf centimeter net onder de borstkas om de ribbenkast te openen.

Knip met een schaar voorzichtig door het middenrif om het hart en de longen bloot te leggen. Snijd nu aan beide kanten door de ribben om de ribbenkast volledig te openen. Zet de geopende ribbenkast vast aan het borstbeen met behulp van een hemostaat.

Gebruik een tweede hemostaat om de vena cava van onder het hart vast te houden. Knip onder de hemostaat met een gebogen, stompe schaar, zo dicht mogelijk bij de onderkant van de ribbenkast om het hart te verwijderen. Breng het hart onmiddellijk over in een petrischaaltje gevuld met ijskoude HBSS.

Vul een canule en een los petrischaaltje volledig met ijskoude HBSS. Breng het hart over naar de petrischaal, voorgevuld met de buffer voor secties. Gebruik een pincet of schaar om de longen en ander bindweefsel dat aan het hart is bevestigd te verwijderen.

Druk vervolgens zachtjes op het hart en volg de bloedbaan om de aorta te lokaliseren. Als de aortaboog behouden blijft, snijd dan onder de eerste stijgende slagader door. Cannuleer de aorta voorzichtig.

Vul het Langendorff-apparaat voor met voorgeoxygeneerde werkoplossing. Open de bufferstroom en bevestig de canule voorzichtig aan het perfusieapparaat en zorg ervoor dat er geen luchtbellen in het systeem komen. Observeer dat het hart begint samen te trekken zodra de perfusie begint.

Knip nu een deel van de boezem of het atriale aanhangsel af met een kleine schaar. Voordat u de ballon in de linker hartkamer steekt, moet u deze volledig laten leeglopen. Gebruik vervolgens de aangesloten spuit om de ballon met water te vullen.

Sluit vervolgens de BP 100 druksondes aan op respectievelijk de perfusieleiding en de met water gevulde ballonnen om de linkerventrikeldruk te controleren. Versterk alle signaaluitgangen, inclusief linkerventrikeldruk en ECG, met behulp van de IA-400D versterker. Bewaak de druk van de buffer van de HEPES Tyrode en pas deze aan om binnen het optimale bereik van 80 tot 100 millimeter kwik te blijven.

Wijzig het watervolume in de ballon met behulp van de spuit om de basislijn van de linkerventrikeldruk in te stellen op ongeveer 20 millimeter kwik. Sluit de elektrocardiogramelektroden aan door de canule te aarden en de elektrodedraden aan de zijkanten, bovenkant of bovenkant van het hart te plaatsen, afhankelijk van de voorkeur van de gebruiker. Vul de verwarmde kamer met de buffer van HEPES Tyrode, voorverwarmd tot 37 graden Celsius.

Dompel het hart onder in de kamer en draai aan de kraan om de bufferstroom te stoppen, waardoor globale ischemie ontstaat. Draai na 30 minuten ischemie aan de kraan om de bufferstroom te herstellen en de reperfusie te starten. Laat het hart 45 minuten doordringen voordat u het experiment voor infarctkleuring beëindigt.

Controleer het succes van ischemie door een verlaging van de hartslag en onregelmatige ECG-signalen waar te nemen. Om bidirectionele opto-elektrische interfaces tussen apparaten en hartweefsel tot stand te brengen, plaatst u een opto-elektronisch membraan van silicium op de gewenste stimulatieplaats op het hart. Laat het zichzelf met behulp van capillaire kracht aan het epicardium hechten.

Sluit de elektroden aan op het RHD-opnamesysteem of een compatibel elektrofysiologisch platform. Plaats vervolgens de flexibele multi-elektrode-arrays op de ventriculaire oppervlakken van het geïsoleerde hart. Programmeer nu de laserbron van 635 nanometer met de gewenste frequentie en inschakelduur met behulp van transistor-transistor logische signalen.

Richt de laserstraal op een plek van één millimeter en lijn deze uit over het siliciummembraan. Start het opname- en stimulatieprotocol. Verhoog geleidelijk de laserintensiteit totdat een continue override-stimulatie van het hart wordt waargenomen.

Om bidirectionele, op elektroden gebaseerde elektrische interfaces tussen apparaten en hartweefsel tot stand te brengen, sluit u de stimulatie-elektroden aan in een configuratie met twee elektroden, waarbij een poreuze koolstofwerkelektrode op de linkerventrikelwand en een tegenelektrode op de rechterventrikelwand wordt geplaatst. Gebruik een potentiostaat om blokstroomgolfvormen af te geven, zoals twee milliampère met een pulsduur van één milliseconde, totdat een succesvolle stimulatie van het hart is bereikt. Er werd een op nanoporeus koolstof gebaseerd platform opgezet voor effectieve elektrische modulatie of detectie van hartsystemen.

Bij vier hertz stimulatie bij één milliampère. Zowel gouden als nanoporeuze met koolstof beklede gouden elektroden bereikten een effectieve overdrive-stimulatie, waarbij hogere elektrocardiogramamplitudes werden waargenomen in de nanoporeuze koolstofgroep. Beide elektroden vertoonden een exponentiële afname van de drempelstroom met een toenemende pulsduur.

Bij een stimulatiestroom van vier milliampère per vierkante centimeter en een duur van één milliseconde was de drempelspanning die nodig was voor effectieve stimulatie 1,32 volt voor gouden elektroden en 0,90 volt voor nanoporeuze koolstofgecoate elektroden. Een 16-kanaals nano poreuze koolstof-geënte gouden elektrode verbeterde de signaaldetectie van het epicardiale elektrocardiogram aanzienlijk, waardoor de signaal-ruisverhouding met een factor achtvoudig verbeterde in vergelijking met standaard gouden elektroden. Succesvolle inductie van ischemie-reperfusie-infarct werd post-experimenteel gevalideerd door TTC-kleuring, waarbij infarctharten verschillende witte gebieden vertoonden die myocardiale schade vertegenwoordigden.

Tijdens real-time monitoring vertoonden ischemische harten een significant verminderde hartslag. Het in kaart brengen van ischemische harten met meerdere elektroden onthulde een verminderde elektrische geleidingssnelheid over het epicardium, aangegeven door een verhoogde signaalvertraging.