Self-rolling-sensoren nehmen Herz-cell-Messungen in 3D

Forscher von der Carnegie Mellon University (CMU) und der Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) entwickelt haben, eine organ-auf-eine-Elektronik-chip-Plattform, die verwendet bioelektrische sensoren zur Messung der Elektrophysiologie des Herzens-Zellen in drei Dimensionen. Diese 3D-self-rolling-biosensor-arrays Spule bis über Herz-Zell-Sphäroiden Gewebe zu einem „organ-on-e-chip,“ so dass die Forscher untersuchen, wie Zellen miteinander kommunizieren, in vielzelligen Systemen, wie das Herz.

Die Orgel-auf-e-chip) mit Hilfe des Konzepts entwickeln und zu bewerten, die Wirksamkeit von Medikamenten zur Behandlung von Krankheiten — vielleicht sogar so dass Forscher auf dem Bildschirm für Drogen und Gifte direkt auf ein human-ähnliches Gewebe, eher als Tests an tierischem Gewebe. Die Plattform wird auch verwendet werden, um Licht auf die Verbindung zwischen dem Herz elektrische Signale und Krankheiten, wie Herzrhythmusstörungen. Die Forschung, veröffentlicht in der Wissenschaft Fortschritte, ermöglicht es dem Forscher zu untersuchen, die Prozesse in kultivierten Zellen, die derzeit nicht zugänglich sind, wie Gewebe-Entwicklung und Reifung Zelle.

„Für Jahrzehnte, Elektrophysiologie erfolgte mit Zellen und Kulturen, die auf zweidimensionalen Oberflächen, wie Kultur Gerichte,“ sagt Außerordentlicher Professor der Biomedizinischen Technik (BME) und Materials Science & Engineering (MSE) Tzahi Cohen-Karni. „Wir versuchen zu umgehen, die Herausforderung zu Lesen, das Herz, die elektrische Muster in 3D durch die Entwicklung einer Art und Weise zu shrink-wrap-sensoren rund um die Zellen des Herzens und der Extraktion von elektrophysiologischen Informationen aus diesem Gewebe.“

Die „Orgel-on-e-chip“ – Plattform startet als ein kleines, flaches Rechteck, nicht im Gegensatz zu mikroskaligen slap Armband. Eine slap-Armband beginnt mit einem starren, Lineal-ähnliche Struktur, aber wenn Sie lassen Sie die Spannung, die es schnell Spulen bis zu band um das Handgelenk.

Die Orgel-auf-e-chip startet ähnlich. Die Forscher pin ein array von sensoren, die entweder aus metallischen Elektroden oder Graphen-sensoren, um die chip-Oberfläche, dann etch aus einer unteren Schicht aus germanium, die bekannt ist als „Opferschicht.“ Sobald diese Opferschicht entfernt wird, wird der biosensor-array ist befreit von seinem halt und rollt von der Oberfläche in eine tonnenförmige Struktur.

Die Forscher untersuchten die Plattform auf Herz-Sphäroide, oder länglich-organoids aus Zellen des Herzens. Diese 3D-Herz-Sphäroide sind über die Breite von 2-3 menschliche Haare. Wickeln der Plattform über dem Sphäroid können die Forscher zum sammeln von elektrische-signal-Messungen mit hoher Präzision.

„Im wesentlichen, haben wir mit unserem 3D-self-rolling-biosensor-arrays für die Erkundung der Elektrophysiologie von induzierten pluripotenten Stammzellen abgeleiteten kardiomyozyten“, sagt führen Autor der Studie und BME Ph. D.-Studentin Anna Kalmykov. „Diese Plattform könnte verwendet werden, um Forschung in der kardialen regeneration von Gewebe und der Reifung, der potentiell verwendet werden kann, um zu behandeln, beschädigtes Gewebe nach einem Herzinfarkt, zum Beispiel, oder die Entwicklung neuer Medikamente zur Behandlung der Krankheit.“

Durch die Zusammenarbeit mit den Labors der BME/MSE Professor Adam Feinberg und ehemaligen CMU Fakultät Jimmy Hsia, jetzt Dekan der Graduate College of NTU in Singapur, waren die Forscher in der Lage, einen proof-of-concept und testen Sie Sie auf 3D-Mikro-Form gebildet cardiomyocyte Sphäroide.

„Mechanik der Analyse des roll-up-Prozess ermöglicht uns die präzise Steuerung der Form der sensoren zu gewährleisten konformen Kontakt zwischen den sensoren und dem kardialen Gewebe“, sagt NTU-Professor Jimmy Hsia. „Die Technik passt sich automatisch dem Niveau des zarten „touch“ zwischen den sensoren und dem Gewebe, so dass hochwertige elektrische Signale gemessen werden, ohne änderung in der physiologischen Bedingungen des Gewebes aufgrund von Druck von außen.“

„Die ganze Idee, um Methoden, die erfolgt traditionell in planar-geometrie und tun Sie Sie in drei Dimensionen“, sagt Cohen-Karni. „Unsere Organe sind 3D in der Natur. Für viele Jahre, Elektrophysiologie wurde mit nur Zellen kultiviert auf einer 2D-tissue-culture-dish. Aber nun, diese erstaunliche Elektrophysiologie Techniken angewendet werden können, um 3D-Strukturen.“

Diese Arbeit wurde möglich durch die Unterstützung der National Science Foundation CAREER Award und dem Office of Naval Research Young Investigator Programm. Andere Autoren auf diesem Papier sind CMU BME/MSE Professor Adam Feinberg; CMU BME/MSE Forscher Jacqueline Bliley, Daniel Shiwarski, Joshua Tashman, Sahil Rastogi, Shivani Shukla, und Elnatan Mataev; NTU ist Jimmy Hsia und Changjin Huang; und University of Illinois at Urbana-Champaign s Arif Abdullah.