Interfaces elétricas e optoeletrônicas bidirecionais em corações de ratos ex vivo saudáveis e isquêmicos

Desenvolvemos um modelo de coração ex vivo para avaliar materiais optoeletrônicos e eletrônicos para estimulação e detecção cardíaca, unindo inovação de bancada com aplicações bioeletrônicas translacionais. Preenchemos a lacuna entre in vitro e in vivo, oferecendo um modelo de coração ex vivo controlado e não genético para avaliar materiais bioeletrônicos com e sem fio em tecido real. Nosso protocolo permite testes rápidos e reprodutíveis de materiais em corações inteiros, combinando relevância fisiológica com controle preciso, ideal para comparar o desempenho de estimulação e detecção em diferentes dispositivos.

Exploramos materiais terapêuticos que modulam a função cardíaca e validam sua eficiência no tratamento do infarto do miocárdio usando nosso modelo de isquemia e reperfusão ex vivo. Para começar, confirme a anestesia geral beliscando uma das patas do rato anestesiado e prossiga apenas se nenhuma resposta for observada. Em seguida, faça uma incisão de cinco centímetros logo abaixo do peito para abrir a caixa torácica.

Usando uma tesoura, corte cuidadosamente o diafragma para expor o coração e os pulmões. Agora, corte as costelas de ambos os lados para abrir totalmente a caixa torácica. Prenda a caixa torácica aberta no esterno usando um hemostático.

Use um segundo hemostático para segurar a veia cava abaixo do coração. Corte sob o hemostático com uma tesoura cega dobrada o mais próximo possível da parte inferior da caixa torácica para remover o coração. Transfira o coração imediatamente para uma placa de Petri cheia de HBSS gelado.

Encha uma cânula e uma placa de Petri separada completamente com HBSS gelado. Transfira o coração para a placa de Petri, pré-preenchida com o tampão para seccionamento. Use uma pinça ou tesoura para remover os pulmões e outros tecidos conjuntivos ligados ao coração.

Em seguida, pressione o coração suavemente e trace o caminho do sangue para localizar a aorta. Se o arco aórtico estiver preservado, corte sob a primeira artéria ascendente. Canule a aorta com cuidado.

Prepare o aparelho de Langendorff com solução de trabalho pré-oxigenada. Abra o fluxo tampão e conecte a cânula ao aparelho de perfusão com cuidado, garantindo que nenhuma bolha de ar entre no sistema. Observe que o coração começa a se contrair assim que a perfusão começa.

Agora, corte parte dos átrios ou apêndice atrial usando uma tesoura pequena. Antes de inserir o balão no ventrículo esquerdo, esvazie-o completamente. Em seguida, use a seringa conectada para encher o balão com água.

Em seguida, conecte as sondas de pressão BP 100 à linha de perfusão e aos balões cheios de água para monitorar a pressão ventricular esquerda, respectivamente. Amplificar todas as saídas de sinal, incluindo pressão ventricular esquerda e ECG, usando o amplificador IA-400D. Monitore a pressão do buffer do HEPES Tyrode e ajuste-o para ficar dentro da faixa ideal de 80 a 100 milímetros de mercúrio.

Modifique o volume de água no balão usando a seringa para definir a pressão basal do ventrículo esquerdo para aproximadamente 20 milímetros de mercúrio. Conecte os eletrodos do eletrocardiograma aterrando a cânula e colocando os fios do eletrodo nas laterais, na parte superior ou no ápice do coração com base na preferência do usuário. Encha a câmara aquecida com o tampão HEPES Tyrode pré-aquecido a 37 graus Celsius.

Mergulhe o coração na câmara e gire a torneira para interromper o fluxo tampão, induzindo isquemia global. Após 30 minutos de isquemia, gire a torneira para restaurar o fluxo do tampão e iniciar a reperfusão. Deixe o coração perfundir por 45 minutos antes de encerrar o experimento para coloração de infarto.

Verifique o sucesso da isquemia observando uma redução na frequência cardíaca e sinais irregulares de ECG. Para estabelecer interfaces optoelétricas bidirecionais entre os dispositivos e o tecido cardíaco, coloque uma membrana optoeletrônica de silicone no local de estimulação desejado no coração. Deixe-o se auto-ligar ao epicárdio usando força capilar.

Conecte os eletrodos ao sistema de registro RHD ou a uma plataforma eletrofisiológica compatível. Em seguida, posicione os feixes flexíveis de vários eletrodos nas superfícies ventriculares do coração isolado. Agora, programe a fonte de laser de 635 nanômetros com a frequência e o ciclo de trabalho desejados usando sinais lógicos de transistor-transistor.

Concentre o feixe de laser em um ponto de um milímetro e alinhe-o sobre a membrana de silicone. Inicie o protocolo de gravação e estimulação. Aumente gradualmente a intensidade do laser até que seja observada uma estimulação contínua do coração.

Para estabelecer interfaces elétricas bidirecionais baseadas em eletrodos entre os dispositivos e o tecido cardíaco, conecte os eletrodos de estimulação em uma configuração de dois eletrodos, colocando um eletrodo de trabalho de carbono poroso na parede ventricular esquerda e um contra-eletrodo na parede ventricular direita. Usando um potenciostato, forneça formas de onda de corrente quadrada, como dois miliamperes com duração de pulso de um milissegundo, até que a estimulação cardíaca bem-sucedida seja alcançada. Uma plataforma nanoporosa baseada em carbono para modulação elétrica efetiva ou detecção de sistemas cardíacos foi estabelecida.

Após estimulação de quatro hertz a um miliampere. Os eletrodos de ouro e ouro revestidos de carbono nanoporoso alcançaram estimulação de overdrive eficaz, com amplitudes de eletrocardiograma mais altas observadas no grupo de carbono nanoporoso. Ambos os eletrodos demonstraram uma diminuição exponencial na corrente limiar com o aumento da duração do pulso.

Com uma corrente de estimulação de quatro miliamperes por centímetro quadrado e duração de um milissegundo, a tensão limite necessária para estimulação efetiva era de 1,32 volts para eletrodos de ouro e 0,90 volts para eletrodos nanoporosos revestidos de carbono. Um eletrodo de ouro nanoporoso enxertado com carbono nanoporoso de 16 canais melhorou significativamente a detecção do sinal do eletrocardiograma epicárdico, melhorando a relação sinal-ruído em oito vezes em comparação com os eletrodos de ouro padrão. A indução bem-sucedida do infarto de isquemia e reperfusão foi validada pós-experimentalmente pela coloração TTC, onde os corações infartados exibiram regiões brancas distintas representando dano miocárdico.

Durante o monitoramento em tempo real, os corações isquêmicos exibiram frequência cardíaca significativamente reduzida. O mapeamento de múltiplos eletrodos de corações isquêmicos revelou diminuição da velocidade de condução elétrica através do epicárdio, indicada pelo aumento do atraso do sinal.