Onderzoekers van de Carnegie Mellon University (CMU) en de Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) heeft een orgel-op-een-elektronische-chip-platform ontwikkeld, die bio-elektrische sensoren gebruikt om de elektrofysiologie van de hartcellen in drie dimensies te meten. Deze 3D, zelfrollende biosensorarrays rollen op over sferoïde weefsels van hartcellen en vormen een "orgaan-op-e-chip, " waardoor de onderzoekers kunnen bestuderen hoe cellen met elkaar communiceren in meercellige systemen zoals het hart.

De orgaan-op-e-chip-benadering zal helpen bij het ontwikkelen en beoordelen van de werkzaamheid van geneesmiddelen voor de behandeling van ziekten - misschien stelt het onderzoekers zelfs in staat om rechtstreeks op een mensachtig weefsel te screenen op geneesmiddelen en toxines, in plaats van testen op dierlijk weefsel. Het platform zal ook worden gebruikt om licht te werpen op het verband tussen de elektrische signalen van het hart en ziekte, zoals aritmieën. Het onderzoek, gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , stelt de onderzoekers in staat om processen te onderzoeken in gekweekte cellen die momenteel niet toegankelijk zijn, zoals weefselontwikkeling en celrijping.

"Al decenia, elektrofysiologie werd gedaan met behulp van cellen en culturen op tweedimensionale oppervlakken, zoals cultuurgerechten, ", zegt Associate Professor of Biomedical Engineering (BME) en Materials Science &Engineering (MSE) Tzahi Cohen-Karni. "We proberen de uitdaging om de elektrische patronen van het hart in 3D te lezen te omzeilen door een manier te ontwikkelen om sensoren in krimpfolie te wikkelen rond hartcellen en het extraheren van elektrofysiologische informatie uit dit weefsel."

Het "orgel-op-e-chip"-platform begint als een klein, platte rechthoek, niet anders dan een microschaal slap armband. Een klaparmband begint als een stijve, liniaal-achtige structuur, maar wanneer je de spanning loslaat, rolt het snel op en vormt het een band om de pols.

De organ-on-e-chip begint op dezelfde manier. De onderzoekers pinnen een reeks sensoren gemaakt van metalen elektroden of grafeensensoren op het oppervlak van de chip, ets dan een onderste laag germanium af, die bekend staat als de "opofferingslaag". Zodra deze opofferende laag is verwijderd, de biosensor-array wordt losgelaten uit het ruim en rolt van het oppervlak op in een tonvormige structuur.

De onderzoekers testten het platform op hartsferoïden, of langwerpige organoïden gemaakt van hartcellen. Deze 3D-hartsferoïden zijn ongeveer zo breed als 2-3 mensenhaar. Door het platform over de sferoïde te wikkelen, kunnen de onderzoekers elektrische signaalmetingen met hoge precisie verzamelen.

"Eigenlijk, we hebben 3-D zelfrollende biosensor-arrays gemaakt voor het onderzoeken van de elektrofysiologie van geïnduceerde pluripotente stamcel-afgeleide cardiomyocyten, ", zegt hoofdauteur van de studie en BME-promovendus Anna Kalmykov. "Dit platform zou kunnen worden gebruikt om onderzoek te doen naar de regeneratie en rijping van hartweefsel dat mogelijk kan worden gebruikt om beschadigd weefsel na een hartaanval te behandelen, bijvoorbeeld, of het ontwikkelen van nieuwe medicijnen om ziekten te behandelen."

Door samenwerking met de laboratoria van BME/MSE Professor Adam Feinberg en voormalig CMU-faculteit Jimmy Hsia, nu decaan van het Graduate College van NTU Singapore, de onderzoekers konden een proof of concept ontwerpen en testen op 3-D micro-schimmel gevormde cardiomyocyten sferoïden.

"Mechanische analyse van het oprolproces stelt ons in staat om de vorm van de sensoren nauwkeurig te controleren om een ​​conform contact tussen de sensoren en het hartweefsel te garanderen, ", zegt NTU-professor Jimmy Hsia. "De techniek past ook automatisch het niveau van de delicate 'aanraking' tussen de sensoren en het weefsel aan, zodat elektrische signalen van hoge kwaliteit worden gemeten zonder de fysiologische omstandigheden van het weefsel te veranderen als gevolg van externe druk."

"Het hele idee is om methoden te nemen die traditioneel in vlakke geometrie worden gedaan en ze in drie dimensies te doen, " zegt Cohen-Karni. "Onze organen zijn 3-D van aard. Voor vele jaren, elektrofysiologie werd gedaan met behulp van alleen cellen gekweekt op een 2-D weefselkweekschaal. Maar nu, deze verbazingwekkende elektrofysiologische technieken kunnen worden toegepast op 3D-structuren."