Chercheurs de l'Université Carnegie Mellon (CMU) et de l'Université technologique de Nanyang, Singapour (NTU Singapour) a développé une plate-forme d'organes sur puce électronique, qui utilise des capteurs bioélectriques pour mesurer l'électrophysiologie des cellules cardiaques en trois dimensions. Ces 3-D, des matrices de biocapteurs à enroulement automatique s'enroulent sur les tissus sphéroïdes des cellules cardiaques pour former un "organe sur puce électronique, " permettant ainsi aux chercheurs d'étudier comment les cellules communiquent entre elles dans des systèmes multicellulaires comme le cœur.

L'approche organe sur puce électronique aidera à développer et à évaluer l'efficacité des médicaments pour le traitement des maladies, permettant peut-être même aux chercheurs de dépister des médicaments et des toxines directement sur un tissu semblable à celui d'un humain, plutôt que de tester sur des tissus animaux. La plate-forme sera également utilisée pour faire la lumière sur le lien entre les signaux électriques du cœur et la maladie, comme les arythmies. La recherche, Publié dans Avancées scientifiques , permet aux chercheurs d'étudier des processus dans des cellules en culture qui ne sont actuellement pas accessibles, tels que le développement des tissus et la maturation cellulaire.

"Depuis des décennies, l'électrophysiologie a été réalisée à l'aide de cellules et de cultures sur des surfaces bidimensionnelles, comme les plats culturels, ", déclare le professeur agrégé de génie biomédical (BME) et de science et génie des matériaux (MSE) Tzahi Cohen-Karni. "Nous essayons de contourner le défi de la lecture des schémas électriques du cœur en 3D en développant un moyen de rétracter les capteurs autour des cellules cardiaques et extraire des informations électrophysiologiques de ce tissu."

La plate-forme « organ-on-e-chip » est au départ une petite rectangle plat, un peu comme un bracelet slap à micro-échelle. Un bracelet slap commence comme un rigide, structure en forme de règle, mais lorsque vous relâchez la tension, elle s'enroule rapidement pour s'enrouler autour du poignet.

L'orgue sur puce électronique commence de la même manière. Les chercheurs épinglent un réseau de capteurs constitués d'électrodes métalliques ou de capteurs de graphène à la surface de la puce, puis graver une couche inférieure de germanium, qui est connu comme la « couche sacrificielle ». Une fois cette couche sacrificielle retirée, le réseau de biocapteurs est libéré de sa prise et s'enroule de la surface dans une structure en forme de tonneau.

Les chercheurs ont testé la plateforme sur des sphéroïdes cardiaques, ou des organoïdes allongés constitués de cellules cardiaques. Ces sphéroïdes cardiaques 3-D ont environ la largeur de 2-3 cheveux humains. Enrouler la plate-forme sur le sphéroïde permet aux chercheurs de collecter des lectures de signaux électriques avec une grande précision.

"Essentiellement, nous avons créé des réseaux de biocapteurs auto-roulants 3-D pour explorer l'électrophysiologie des cardiomyocytes dérivés de cellules souches pluripotentes induites, ", a déclaré l'auteur principal de l'étude et étudiante au doctorat BME Anna Kalmykov. "Cette plate-forme pourrait être utilisée pour faire des recherches sur la régénération et la maturation des tissus cardiaques qui peuvent potentiellement être utilisées pour traiter les tissus endommagés après une crise cardiaque, par exemple, ou développer de nouveaux médicaments pour traiter la maladie."

Grâce à la collaboration avec les laboratoires du professeur BME/MSE Adam Feinberg et de l'ancien professeur de la CMU Jimmy Hsia, maintenant doyen du Graduate College of NTU Singapore, les chercheurs ont pu concevoir une preuve de concept et la tester sur des sphéroïdes de cardiomyocytes formés par micro-moule en 3D.

« L'analyse mécanique du processus d'enroulement nous permet de contrôler précisément la forme des capteurs pour assurer un contact conforme entre les capteurs et le tissu cardiaque, " explique le professeur NTU Jimmy Hsia. " La technique ajuste également automatiquement le niveau du " toucher " délicat entre les capteurs et le tissu de telle sorte que des signaux électriques de haute qualité soient mesurés sans changer les conditions physiologiques du tissu en raison de la pression externe. "

"L'idée est de prendre des méthodes qui se font traditionnellement en géométrie plane et de les faire en trois dimensions, " dit Cohen-Karni. "Nos organes sont de nature 3-D. Pendant de nombreuses années, l'électrophysiologie a été réalisée en utilisant uniquement des cellules cultivées sur une boîte de culture tissulaire 2D. Mais maintenant, ces étonnantes techniques d'électrophysiologie peuvent être appliquées à des structures 3D."