Dispozitiv inspirat de pești permite monitorizarea scalabilă a organoizilor cu bătăi de inimă
O echipă internațională, inclusiv Universitatea din Tokyo, a dezvoltat un senzor inspirat de linia laterală a peștilor – organul lor de „simț” – care măsoară pulsul țesutului cardiac crescut în laborator (organoizi cardiaci).
Acest dispozitiv, denumit placă biomecanică cu mai multe fântâni, arată ca o cutie mică albă ce conține patru fântâni umplute cu lichid. Atunci când un organoid este plasat într-o fântână, fiecare bătaie cauzează bulgărea lichidului într-o cavitate de aer de dedesubt, schimbând presiunea aerului. Această modificare îndoaie un senzor cantilever, care trimite date în timp real fără fir către o aplicație. Dispozitivul este precis, reutilizabil și necesită mai puțin efort comparativ cu alte metode.
Datorită scalabilității sale, sute de teste ar putea fi monitorizate simultan, având avantaje pentru screeningul medicamentelor și medicina personalizată viitoare.
Cercetarea cardiovasculară a cunoscut o revoluție în ultimii zece ani, datorită dezvoltării organoidelor cardiace 3D. Aceste aglomerări de celule crescute în laborator, deși nu sunt replici complete ale unei inimi umane (au de obicei maximum 3 milimetri), dispun de suficiente detalii pentru ca cercetătorii să le utilizeze în studierea dezvoltării inimii, bolilor și efectelor noilor tratamente. În trecut, studiile se bazau pe culturi de celule 2D plate sau teste pe animale, ambele fiind limitate în capacitatea lor de a reproduce cu acuratețe comportamentul și reacțiile inimii umane.
Studiul organoidelor cardiace, fiind mic și complex, poate fi provocator. În funcție de scop, organoizii pot fi crescuți direct pe senzori, limitând reutilizarea lor, sau analizați unul câte unul prin microscop, ceea ce necesită timp și face testarea simultană dificilă. Totuși, o echipă internațională și interdisciplinară din Australia, SUA și Japonia a dezvoltat acum un dispozitiv capabil să măsoare pulsul a sute de organoizi cardiaci simultan, sporind astfel scala și viteza testării.
Dispozitivul nostru măsoară intensitatea și ritmul pulsului organoizilor cardiaci folosind o placă biomecanică multi-fântână ca fundament. Designul permite paralele multe măsurători, testând diferite tipuri și concentrații de tratamente, în timp ce datele sunt primite fără fir pentru a observa cum răspund organoizii în timp real.
O placă biomecanică cu mai multe fântâni conține patru fântâni umplute cu lichid, cu mici găuri la bază, cavități de aer sub fiecare fântână și un sistem de senzori bazat pe cantilever delicat dedesubt. Ca inginer specializat în dinamică fluidelor și interfețe de suprafață, rolul său a fost să determine cum să facă interfața delicată între lichid, cavitatea de aer și senzor să funcționeze. „Provocarea a fost că nu există contact direct între lichidul care conține organoizii cardiaci și senzor. În schimb, am creat o interfață de apă care captează o cavitate de aer dedesubt, iar singurul motiv pentru care nu inunda cavitatea este datorită tensiunii superficiale gestionate cu mare atenție, pe care am calculat-o inițial prin modele informatice analitice,” a explicat.
„Este o echilibrare fină, deoarece lichidul trebuie să se poată muta în buzunarul de aer fără a-l inunda. Bătăile organoidului deformează apa în cavitate înainte de a reveni, provocând fluctuații de presiune care comprimă aerul, activând senzorul cantilever de dedesubt și permițându-ne să percepem bătăile inimii.” Dispozitivul a fost inspirat de o caracteristică biologică a peștilor numită linia laterală, uneori denumită „al șaselea simț”. Acest organ se extinde de-a lungul corpului, iar apa intră prin pori minusculi, împingând împotriva unor rânduri de capete gelatinoase mici numite cupule. Aceste cupule acoperă celulele senzoriale, care traduc modificările mișcării cupulelor în semnale neuronale, indicând prada, prădătorii și alte informații despre mediu.
„Deoarece dispozitivul nostru detectează schimbări de presiune, este foarte bun pentru a măsura fluctuațiile unei bătăi de inimă și cum aceasta se poate schimba – devenind mai rapidă, mai lentă sau mai neregulată – ca răspuns la tratamentele medicamentoase,” a adăugat. „De asemenea, are un avantaj cheie față de testele pe animale, deoarece putem testa direct tratamentele medicamentoase pe țesut uman, deschizând calea pentru terapii medicamentoase mai personalizate care iau în considerare genetica individuală a unei persoane. Ca inginer, mai degrabă decât ca biolog sau farmacolog, cercetarea noastră demonstrează avantajele colaborării interdisciplinare și ce putem construi împreună.”
