«Мы создали I-Wire Heart-on-a-Chip, чтобы понять, почему сердечные клетки ведут себя именно так, задавая вопросы клеткам, а не просто наблюдая за ними», – сказал Гордон А. Профессор Университета Каина Джон Виксво, возглавляющий проект. «Мы считаем, что это может оказаться бесценным при изучении сердечных заболеваний, скрининге лекарств и разработке лекарств, а в будущем и в персонализированной медицине путем выявления клеток, взятых у пациентов, которые можно использовать для эффективного лечения поврежденных сердец."
Устройство и результаты первоначальных экспериментов, демонстрирующие, что оно точно воспроизводит реакцию сердечных клеток на два разных препарата, влияющих на функцию сердца у людей, описаны в статье, опубликованной в прошлом месяце в журнале Acta Biomaterialia.
В сопутствующей статье того же выпуска представлен биомеханический анализ платформы I-Wire, которую можно использовать для характеристики биоматериалов в кардиорегенерирующей медицине.
Уникальный аспект нового устройства, которое составляет примерно две миллионных доли человеческого сердца, заключается в том, что оно контролирует механическую силу, прикладываемую к сердечным клеткам. Это позволяет исследователям воспроизводить механические условия живого сердца, которое постоянно растягивается и сжимается, в дополнение к его электрической и биохимической среде.
«Сердечная ткань, наряду с мышечной, скелетной и сосудистой тканью, представляет собой особый класс механически активных биоматериалов», – сказал Виксво. «Механическая активность является неотъемлемым свойством этих тканей, поэтому вы не можете полностью понять, как они функционируют и как они выходят из строя, не принимая во внимание этот фактор."
«В настоящее время у нас не так много моделей для изучения того, как сердце реагирует на стресс. Без них очень сложно разработать новые лекарства, которые конкретно направлены на то, что идет не так в этих условиях », – прокомментировал Чарльз Хонг, доцент кафедры сердечно-сосудистой медицины в Медицинской школе Вандербильта, который не участвовал в исследовании, но знаком с ним. "Это дает нам действительно потрясающую модель для изучения того, как сердца терпят поражение."
Устройство I-Wire состоит из тонкой нити сердечных клеток человека 0.014 дюймов толщиной (размером с 20-фунтовую моноволоконную леску) натянутые между двумя перпендикулярными проволочными анкерами.
Величину натяжения волокна можно изменять, перемещая анкеры внутрь и наружу, а натяжение измеряется гибким датчиком, который прижимается к стороне волокна.
Волокно поддерживается проволокой и каркасом в оптически прозрачном отсеке, заполненном жидкой средой, подобной той, которая окружает сердечные клетки в организме. Аппарат установлен на столике мощного оптического микроскопа, регистрирующего физические изменения волокна.
Микроскоп также действует как спектроскоп, который может предоставить информацию о химических изменениях, происходящих в волокне. Плавающий микроэлектрод также измеряет электрическую активность клеток.
По словам исследователей, систему I-Wire можно использовать для определения того, как клетки сердца реагируют на электрическую стимуляцию и механические нагрузки, и ее можно реализовать с низкими затратами, небольшими размерами и небольшими объемами жидкости, что делает ее пригодной для скрининга лекарств и токсинов. Из-за его потенциальных применений Университет Вандербильта запатентовал устройство.
В отличие от других конструкций «сердце на чипе», I-Wire позволяет исследователям выращивать сердечные клетки под контролируемым изменяющимся во времени напряжением, аналогичным тому, что они испытывают в живом сердце.
Как следствие, сердечные клетки в волокне выстраиваются в чередующиеся темные и светлые полосы, называемые саркомерами, которые характерны для мышечной ткани человека. Сердечные клетки в большинстве других конструкций сердце-на-чипе не демонстрируют этой естественной организации.
Кроме того, исследователи определили, что их сердце-на-чипе подчиняется закону сердца Фрэнка-Старлинга. Закон, открытый двумя физиологами в 1918 году, описывает взаимосвязь между объемом крови, наполняющей сердце, и силой, с которой сокращаются сердечные клетки.
I-Wire – одно из первых устройств типа "сердце на кристалле", в котором это реализовано.
Чтобы продемонстрировать ценность I-Wire в определении воздействия различных препаратов на сердце, ученые проверили его реакцию с двумя препаратами, которые, как известно, влияют на работу сердца у людей: изопротеренол и блеббистатин.
Изопротеренол – это лекарство, используемое для лечения брадикардии (замедления сердечного ритма) и сердечной блокады (обструкции естественного водителя ритма сердца). Блеббистатин подавляет сокращения всех типов мышечной ткани, включая сердце.
По словам Вениамина Сидорова, доцента-исследователя Института интегративных биосистем, исследований и образования им. Вандербильта (VIIBRE), который руководил его разработкой, устройство точно воспроизводит реакцию сердечных клеток в живом сердце.
«Сердечная ткань состоит из двух основных элементов: активного сократительного элемента и пассивного эластичного элемента», – сказал Сидоров. «Разделив эти два элемента с помощью блеббистатина, мы успешно охарактеризовали эластичность искусственной ткани. Воздействуя на него изопротеренолом, мы проверили его реакцию на адренергическую стимуляцию, которая является одной из основных систем, отвечающих за регуляцию сердечных сокращений.
Мы обнаружили, что взаимосвязь между этими двумя элементами в сердечном волокне согласуется с тем, что наблюдается в естественных тканях. Это подтверждает, что наша модель «сердце на чипе» предоставляет нам новый способ изучения эластичного ответа сердечной мышцы, который чрезвычайно сложен и связан с сердечной недостаточностью, гипертонией, гипертрофией сердца и кардиомиопатией."