Sağlıklı ve İskemik Ex Vivo Sıçan Kalplerinde Çift Yönlü Elektrik ve Optoelektronik Arayüzler
18 Temmuz 2025
Bu protokol, biyoelektronik araştırmaları için hassas kardiyak stimülasyon, kayıt ve enfarktüs modellemesi sağlayan optik ve elektriksel çift yönlü biyoarayüz için gelişmiş malzeme üretimi ve ex vivo sıçan kalbi yöntemlerini ana hatlarıyla belirtir.
Kardiyak stimülasyon ve algılama için optoelektronik ve elektronik malzemeleri değerlendirmek üzere bir ex vivo kalp modeli geliştirdik ve tezgah üstü inovasyon ile translasyonel biyoelektronik uygulamalar arasında köprü kurduk. Gerçek dokuda hem kablolu hem de kablosuz biyoelektronik malzemeleri değerlendirmek için kontrollü, genetik olmayan bir ex vivo kalp modeli sunarak in vitro ve in vivo arasındaki boşluğu dolduruyoruz. Protokolümüz, fizyolojik alaka düzeyini hassas kontrolle birleştirerek, farklı cihazlardaki stimülasyon ve algılama performansını karşılaştırmak için ideal olan, tüm atan kalplerdeki malzemelerin hızlı bir şekilde tekrarlanabilir şekilde test edilmesini sağlar.
İskemi reperfüzyonu ex vivo modelimizi kullanarak kalp fonksiyonunu modüle eden ve miyokard enfarktüsünün tedavisindeki etkinliklerini doğrulayan terapötik materyalleri araştırıyoruz. Başlamak için, anestezi uygulanmış sıçanın pençelerinden birini sıkıştırarak genel anesteziyi onaylayın ve yalnızca herhangi bir yanıt gözlenmezse devam edin. Ardından, göğüs kafesini açmak için göğsün hemen altında beş santimetrelik bir kesi yapın.
Makas kullanarak, kalbi ve akciğerleri ortaya çıkarmak için diyaframı dikkatlice kesin. Şimdi göğüs kafesini tamamen açmak için her iki taraftaki kaburgaları kesin. Açılan göğüs kafesini bir hemostat kullanarak sternuma sabitleyin.
Vena kavayı kalbin altından tutmak için ikinci bir hemostat kullanın. Kalbi çıkarmak için göğüs kafesinin dibine mümkün olduğunca yakın bükülmüş künt makasla hemostatın altından kesin. Kalbi hemen buz gibi HBSS ile dolu bir Petri kabına aktarın.
Bir kanülü ve ayrı bir Petri kabını tamamen buz gibi HBSS ile doldurun. Kalbi, kesit için tamponla önceden doldurulmuş Petri kabına aktarın. Akciğerleri ve kalbe bağlı diğer bağ dokularını çıkarmak için cımbız veya makas kullanın.
Ardından, kalbe hafifçe bastırın ve aortu bulmak için kan yolunu izleyin. Aort arkı korunmuşsa, ilk çıkan arterin altından kesin. Aortu dikkatlice kanüle edin.
Langendorff aparatını preoksijenli çalışma solüsyonu ile astarlayın. Tampon akışını açın ve kanülü perfüzyon aparatına dikkatlice takın, sisteme hava kabarcığı girmediğinden emin olun. Perfüzyon başladığında kalbin kasılmaya başladığını gözlemleyin.
Şimdi, küçük bir makas kullanarak kulakçıkların veya atriyal uzantının bir kısmını kesin. Balonu sol ventriküle yerleştirmeden önce tamamen söndürün. Ardından, balonu suyla doldurmak için bağlı şırıngayı kullanın.
Ardından, sol ventrikül basıncını izlemek için sırasıyla BP 100 basınç problarını perfüzyon hattına ve su dolu balonlara bağlayın. IA-400D amplifikatörünü kullanarak sol ventrikül basıncı ve EKG dahil tüm sinyal çıkışlarını yükseltin. HEPES Tyrode'un tamponunun basıncını izleyin ve optimum 80 ila 100 milimetre cıva aralığında kalacak şekilde ayarlayın.
Temel sol ventrikül basıncını yaklaşık 20 milimetre cıvaya ayarlamak için şırıngayı kullanarak balondaki su hacmini değiştirin. Kanülü topraklayarak ve elektrot tellerini kullanıcının tercihine göre kalbin yanlarına, üstüne veya tepesine yerleştirerek elektrokardiyogram elektrotlarını bağlayın. Isıtılmış hazneyi önceden 37 santigrat dereceye ısıtılmış HEPES Tyrode tamponu ile doldurun.
Kalbi hazneye daldırın ve tampon akışını durdurmak için musluğu çevirin, bu da küresel iskemiyi indükler. 30 dakikalık iskemiden sonra, tampon akışını yeniden sağlamak ve reperfüzyonu başlatmak için musluğu çevirin. Enfarktüs boyama deneyini sonlandırmadan önce kalbin 45 dakika boyunca perfüze olmasına izin verin.
Kalp atış hızında bir azalma ve düzensiz EKG sinyalleri gözlemleyerek iskeminin başarısını doğrulayın. Cihazlar ve kalp dokusu arasında çift yönlü optoelektrik arayüzler oluşturmak için, kalpte istenen stimülasyon bölgesine bir silikon optoelektronik membran yerleştirin. Kılcal kuvvet kullanarak epikardiyuma kendiliğinden bağlanmasına izin verin.
Elektrotları RHD kayıt sistemine veya uyumlu bir elektrofizyolojik platforma bağlayın. Ardından, esnek çoklu elektrot dizilerini izole kalbin ventriküler yüzeylerine yerleştirin. Şimdi 635 nanometre lazer kaynağını transistör-transistör mantık sinyallerini kullanarak istenilen frekans ve görev döngüsünde programlayın.
Lazer ışınını bir milimetrelik bir noktaya odaklayın ve silikon membran üzerine hizalayın. Kayıt ve stimülasyon protokolünü başlatın. Kalbin sürekli geçersiz kılma hızı gözlemlenene kadar lazer yoğunluğunu kademeli olarak artırın.
Cihazlar ve kalp dokusu arasında çift yönlü elektrot tabanlı elektrik arayüzleri oluşturmak için, stimülasyon elektrotlarını iki elektrotlu bir konfigürasyonda bağlayın, sol ventrikül duvarına gözenekli bir karbon çalışma elektrodu ve sağ ventrikül duvarına bir karşı elektrot yerleştirin. Bir potansiyostat kullanarak, kalbin başarılı bir şekilde ilerlemesi sağlanana kadar bir milisaniye darbe süresine sahip iki miliamper gibi kare akım dalga biçimleri verin. Kardiyak sistemlerin etkili elektriksel modülasyonu veya algılanması için nano gözenekli karbon bazlı bir platform kuruldu.
Bir miliamperde dört hertz stimülasyonu üzerine. Hem altın hem de nano gözenekli karbon kaplı altın elektrotlar, nano gözenekli karbon grubunda gözlemlenen daha yüksek elektrokardiyogram genlikleri ile etkili aşırı hız hızı elde etti. Her iki elektrot da artan darbe süresiyle eşik akımında üstel bir azalma gösterdi.
Santimetre kare başına dört miliamperlik bir stimülasyon akımında ve bir milisaniyelik sürede, etkili pacing için gereken eşik voltajı altın elektrotlar için 1,32 volt ve nano gözenekli karbon kaplı elektrotlar için 0,90 volt idi. 16 kanallı nano gözenekli karbon aşılı altın elektrot, epikardiyal elektrokardiyogram sinyal algılamasını önemli ölçüde geliştirerek sinyal-gürültü oranını standart altın elektrotlara kıyasla sekiz kat artırdı. İskemi reperfüzyon enfarktüsünün başarılı bir şekilde indüksiyonu, enfarktüslü kalplerin miyokard hasarını temsil eden farklı beyaz bölgeler sergilediği TTC boyama ile deney sonrası doğrulandı.
Gerçek zamanlı izleme sırasında, iskemik kalpler kalp atış hızında önemli ölçüde azalma sergiledi. İskemik kalplerin çok elektrotlu dizi haritalaması, artan sinyal gecikmesi ile gösterilen epikard boyunca elektrik iletim hızının azaldığını ortaya çıkardı.
Genel Bakış
Bu protokol, biyoelektronik araştırmalar için hassas kalp stimülasyonu, kayıt ve enfarktüs modellemesini sağlayan, optik ve elektriksel iki yönlü biyoarayüz için ileri malzeme üretimi ve eks vivo sıçan kalp yöntemlerini tasvir eder.
Çalışmanın Temel Bileşenleri
Bilim Alanı
- Biyoelektronik
- Kalp fizyolojisi
- Malzeme bilimi
Arka Plan
- Biyoelektronik malzemeleri test etmek için eks vivo kalp modelinin geliştirilmesi.
- In vitro ve in vivo araştırmalarının birbirine bağlanması.
- Kalp stimülasyonu ve algılamayı değerlendirmek için kontrollü ortam.
- Miyokard enfarktüsü çalışmaları için iskemi reperfüzyon modelinin kullanımı.
Çalışmanın Amacı
- Kardiyak uygulamalar için optoelektronik ve elektronik malzemeleri değerlendirmek.
- Stimülasyon ve kayıt için iki yönlü arayüzler kurmak.
- Miyokard enfarktüsünü tedavi etmek için terapötik malzemeleri doğrulamak.
Kullanılan Yöntemler
- Eks vivo sıçan kalp modelinin hazırlanması.
- Kalp perfüzyonu için Langendorff aparatının kullanımı.
- Sol ventrikül basıncı ve EKG sinyallerinin izlenmesi.
- Optik ve elektriksel stimülasyon protokollerinin uygulanması.
Ana Sonuçlar
- Nanoporöz karbon elektrotlar kullanılarak kalbin başarılı şekilde uyarılması.
- Gelişmiş sinyal-gürültü oranı ile elektrokardiyografik sinyal algılamasının artırılması.
- TTC boyaması yoluyla iskemi reperfüzyon enfarktüsünün doğrulanması.
- Terapi malzemeleri kullanılarak kardiyak fonksiyonun etkili modülasyonu.
Sonuçlar
- Eks vivo kalp modeli, biyoelektronik malzemeleri test etmek için etkilidir.
- İki yönlü arayüzler, kardiyak araştırmayı geliştirebilir.
- Terapi malzemeleri, miyokard enfarktüsü tedavisi için umut vaat ediyor.
Sıkça Sorulan Sorular
Executive Industry Relevance
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.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables functional interrogation of new conductor and semiconductor materials in a whole-organ cardiac context.
- Supports mechanistic de-risking by directly measuring material impact on cardiac pacing and conduction.
- Facilitates comparative evaluation of device performance across healthy and disease-relevant (ischemic) states.
Screening & Assay Development
- Provides a reproducible, high-throughput platform for screening bioelectronic materials under controlled physiological conditions.
- Delivers quantitative outputs such as pacing thresholds, signal-to-noise ratios, and conduction velocities.
- Enables assay standardization for benchmarking device efficacy and safety prior to in vivo studies.
Translational & Preclinical Research
- Models myocardial infarction via ischemia-reperfusion, aligning material testing with disease-relevant endpoints.
- Supports translational continuity by validating device function in a system bridging in vitro and in vivo environments.
- Informs risk-adjusted advancement of candidate materials for preclinical cardiac bioelectronic applications.
Pipeline & Workflow Integration
This ex vivo heart model positions material and device validation at the intersection of early discovery, lead identification, and preclinical research for cardiac bioelectronics.
- Discovery Biology: Enables hypothesis testing of material-tissue interactions and functional cardiac modulation.
- Screening: Provides reproducible, quantitative readouts for device performance and safety metrics.
- Analytics: Supports high-resolution mapping, multichannel recording, and statistical comparison of device outputs.
- Translational Research: Bridges in vitro findings to disease-relevant preclinical models, supporting biomarker alignment.
- Enterprise Reuse: Establishes a standardized, scalable platform for ongoing material and device evaluation across programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in material performance and target validation for cardiac applications.
- Operational Value: Delivers standardized, reproducible workflows for rapid device screening and benchmarking.
- Strategic Value: Enables informed go/no-go decisions and reduces late-stage biological risk in cardiac device portfolios.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of next-generation bioelectronic materials.
Implementation Considerations
- Requires expertise in cardiac physiology, electrophysiology, and bioelectronic device integration.
- Needs access to Langendorff perfusion systems, multichannel recording platforms, and optoelectronic stimulation equipment.
- Demands rigorous cross-team standardization for reproducibility and data comparability.
- Adaptation may be needed for different animal models or disease states.
- Limitations include ex vivo model constraints and translation to chronic in vivo performance.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:00
Introduction
1:07
Heart Extraction and Preparation for Langendorff Perfusion
2:42
Langendorff Perfusion Setup and Initial Monitoring
4:19
Myocardial Infarction Induction, Reperfusion Monitoring, and Bidirectional Interface Modulation and Recording
6:42
Results
