Двунаправленные электрические и оптоэлектронные интерфейсы в здоровых и ишемизированных ex vivo сердцах крыс

Мы разработали модель сердца ex vivo для оценки оптоэлектронных и электронных материалов для стимуляции и сенсорики сердца, соединив настольные инновации с трансляционными биоэлектронными приложениями. Мы преодолеваем разрыв между in vitro и in vivo, предлагая контролируемую, негенетическую модель сердца ex vivo для оценки как проводных, так и беспроводных биоэлектронных материалов в реальных тканях. Наш протокол обеспечивает быстрое воспроизводимое тестирование материалов на целых бьющихся сердцах, сочетая физиологическую значимость с точным контролем, что идеально подходит для сравнения эффективности стимуляции и чувствительности на различных устройствах.

Мы исследуем терапевтические материалы, которые модулируют функцию сердца, и подтверждаем их эффективность в лечении инфаркта миокарда с помощью нашей модели ишемической реперфузии ex vivo. Для начала подтвердите общую анестезию, ущипнув одну из лап крысы, находящейся под наркозом, и приступайте только в том случае, если никакой реакции не наблюдается. Затем сделайте пятисантиметровый разрез чуть ниже грудной клетки, чтобы открыть грудную клетку.

С помощью ножниц аккуратно разрежьте диафрагму, чтобы обнажить сердце и легкие. Теперь прорежьте ребра с обеих сторон, чтобы полностью раскрыть грудную клетку. Закрепите раскрытую грудную клетку у грудины с помощью гемостата.

Используйте второе кровоостанавливающее средство, чтобы удерживать полую вену снизу сердца. Разрежьте под гемостат согнутыми тупыми ножницами как можно ближе к низу грудной клетки, чтобы удалить сердце. Немедленно переложите сердце в чашку Петри, наполненную ледяным HBSS.

Полностью заполните канюлю и отдельную чашку Петри ледяным HBSS. Переложите сердце в чашку Петри, предварительно заполненную буфером для разделки. С помощью пинцета или ножниц удалите легкие и другие соединительные ткани, прикрепленные к сердцу.

Затем осторожно надавите на сердце и проследите путь крови, чтобы найти аорту. Если дуга аорты сохранилась, разрежьте под первой восходящей артерией. Осторожно канюлируйте аорту.

Загрунтуйте аппарат Лангендорфа предварительно насыщенным кислородом рабочим раствором. Откройте буферный поток и осторожно прикрепите канюлю к перфузионному аппарату, следя за тем, чтобы пузырьки воздуха не попали в систему. Обратите внимание, как сердце начинает сокращаться, как только начинается перфузия.

Теперь отрежьте часть предсердий или придатка предсердия с помощью маленьких ножниц. Перед введением баллона в левый желудочек полностью сдуйте его. Затем с помощью подключенного шприца наполните баллон водой.

Затем подключите датчики давления BP 100 к перфузионной линии и наполненным водой баллонам для контроля давления в левом желудочке соответственно. Усиливайте все выходы сигнала, включая давление в левом желудочке и ЭКГ, с помощью усилителя IA-400D. Контролируйте давление в буфере HEPES Tyrode и отрегулируйте его так, чтобы оно оставалось в оптимальном диапазоне от 80 до 100 миллиметров ртутного столба.

Измените объем воды в баллоне с помощью шприца, чтобы установить базовое давление в левом желудочке на уровне примерно 20 миллиметров ртутного столба. Подключите электроды для электрокардиограммы, заземлив канюлю и разместив электродные провода по бокам, в верхней или верхней части сердца в зависимости от предпочтений пользователя. Заполните нагретую камеру буфером HEPES Tyrode, предварительно подогретым до 37 градусов Цельсия.

Погрузите сердце в камеру и поверните запорный кран, чтобы остановить буферный поток, вызывающий глобальную ишемию. После 30 минут ишемии поверните запорный кран, чтобы восстановить буферный поток и инициировать реперфузию. Дайте сердцу провести перфузию в течение 45 минут перед окончанием эксперимента по окрашиванию инфарктом.

Проверьте успешность ишемии, наблюдая за снижением частоты сердечных сокращений и нерегулярными сигналами ЭКГ. Чтобы установить двунаправленные оптоэлектрические интерфейсы между устройствами и сердечной тканью, поместите кремниевую оптоэлектронную мембрану на желаемый участок стимуляции сердца. Позвольте ему самостоятельно прикрепиться к эпикарду с помощью капиллярной силы.

Подключите электроды к регистрирующей системе RHD или совместимой электрофизиологической платформе. Затем расположите гибкие многоэлектродные решетки на поверхностях желудочков изолированного сердца. Теперь запрограммируйте лазерный источник с яркостью 635 нм с нужной частотой и коэффициентом заполнения с помощью транзисторно-транзисторных логических сигналов.

Сфокусируйте лазерный луч на пятно в один миллиметр и выровняйте его по кремниевой мембране. Запустите протокол записи и стимуляции. Постепенно увеличивайте интенсивность лазера до тех пор, пока не будет наблюдаться непрерывная коррекция ритма сердца.

Чтобы создать двунаправленные электрические интерфейсы на основе электродов между устройствами и сердечной тканью, соедините электроды стимуляции в двухэлектродной конфигурации, поместив рабочий электрод из пористого углерода на стенку левого желудочка и противоэлектрод на стенку правого желудочка. Используя потенциостат, подайте прямоугольные формы тока в форме волны, например, два миллиампера с длительностью импульса в одну миллисекунду, до тех пор, пока не будет достигнута успешная стимуляция сердца. Была создана платформа на основе нанопористого углерода для эффективной электрической модуляции или зондирования сердечных систем.

На четыре герца стимуляция по одному миллиамперу. Как золотые, так и нанопористые золотые электроды с углеродным покрытием достигли эффективной скорости перегрузки, при этом более высокие амплитуды электрокардиограммы наблюдались в группе нанопористого углерода. Оба электрода продемонстрировали экспоненциальное снижение порогового тока с увеличением длительности импульса.

При токе стимуляции в четыре миллиампера на квадратный сантиметр и продолжительности в одну миллисекунду пороговое напряжение, необходимое для эффективной стимуляции, составляло 1,32 вольта для золотых электродов и 0,90 вольта для нанопористых электродов с углеродным покрытием. 16-канальный нанопористый золотой электрод, привитый углеродом, значительно улучшил обнаружение сигнала эпикардиальной электрокардиограммы, улучшив соотношение сигнал/шум в восемь раз по сравнению со стандартными золотыми электродами. Успешная индукция ишемического реперфузионного инфаркта была подтверждена после эксперимента с помощью окрашивания ТТС, где на инфарктированных сердцах наблюдались отчетливые белые области, представляющие повреждение миокарда.

Во время мониторинга в режиме реального времени у ишемизированных сердец наблюдалось значительное снижение частоты сердечных сокращений. Картирование ишемизированных сердец с помощью многоэлектродной матрицы выявило снижение скорости электрической проводимости в эпикарде, на что указывает увеличение задержки сигнала.