Cercetătorii au reușit să imite semnalizarea celulelor cardiace folosind plastice conductive organice
O echipă de cercetători de la Universitatea Linköping (LiU) a reușit, pentru prima dată, să imite artificial semnalizarea ionică a celulelor musculare cardiace.
Studiul, publicat în revista Nature Communications, deschide noi perspective pentru tipuri inovative de proteze, implanturi cardiace și senzori în viitor.
„Există un motiv pentru care natura a dotat celulele musculare cardiace cu acest tip particular de semnalizare electrică. Nu ne dorim doar să imităm biologia, ci și să valorificăm principiile care fac aceste semnale atât de eficiente”, a declarat Simone Fabiano, profesor de Știința Materialelor la LiU.
Inima umană bate de aproximativ 2,6 miliarde de ori pe parcursul unei vieți medii, funcționând continuu, 24 de ore din 24, pe parcursul întregii vieți. Unul dintre elementele cheie ale muncii neobosite a celulelor musculare cardiace este transportul ionilor de potasiu, sodiu și calciu în interiorul și în afara celulelor. Acest transport ionic inițiază un impuls electric numit potențial de acțiune, care determină contracția mușchilor inimii și pomparea sângelui.
Însă, imitatul acestui transport ionic și al potențialului de acțiune a reprezentat o provocare, deoarece celulele musculare cardiace diferă de alte celule din organism. Canalul ionului de calciu, care transportă calciul, funcționează relativ lent comparativ cu canalele de sodiu și potasiu. „Exact această lentețe creează un blocaj dacă încerci să lucrezi cu electronica tradițională, care este concepută pentru a fi rapidă. În acest caz, electronica organică este mai bună, deoarece poate transporta atât ionii, cât și electronii și, prin urmare, comunică în același mod ca și celulele din organism”, a explicat Dace Gao, postdoc la Laboratorul de Electronică Organică (LOE) de la LiU și autor principal al articolului științific publicat în Nature Communications.
Ceea ce el și colegii săi de la LOE, Campus Norrköping, au realizat este dezvoltarea unei celule musculare cardiace artificiale din plastic conductor care imită funcția electrică, respectiv potențialul de acțiune, al celulei.
Grupul de cercetare a dezvoltat anterior celule nervoase artificiale care imită proprietățile celulelor nervoase biologice. Dezvoltarea celulelor musculare cardiace artificiale a fost un pas natural, deoarece nu exista hardware care să poată imita semnalizarea ionică specială.
Simone Fabiano a subliniat două motive principale pentru a imita dinamica electrică a celulelor musculare cardiace utilizând electronica organică. Primul este că cercetătorii pot obține o înțelegere mai profundă a proprietăților materialelor necesare pentru a recrea semnale similare cu cele biologice. Al doilea este că astfel de sisteme ar putea fi utilizate, pe termen lung, ca modele bioelectronice și interfețe: „Fiindcă este hardware, putem investiga în mod controlat cum influențează modificările în, de exemplu, concentrația ionică și pH-ul semnalele electrice asemănătoare cu cele cardiace. În viitor, sperăm de asemenea să putem conecta aceste sisteme mai îndeaproape la celulele musculare cardiace biologice”, a afirmat Simone Fabiano.
Cercetătorii își imaginează cum această tehnologie ar putea contribui, de exemplu, la dezvoltarea unor pacemaker-uri „naturale” de dimensiuni reduse, implanturi capabile să activeze mușchii sau senzori care pot detecta devieri timpurii în funcția cardiac și iniția măsuri. Însă, acest lucru depinde de rezolvarea unei probleme esențiale.
„Celulele artificiale trebuie să fie capabile să primească un semnal de la o celulă biologică și apoi să transmită semnalul către alte celule. Celulele artificiale musculare cardiace ar acționa astfel ca un pod și ne-ar aduce semnificativ mai aproape de aplicațiile biomedicale”, a explicat Dace Gao.
