Благодаря технологии «сердце на чипе» — моделированию человеческого сердца на специально разработанном чипе и измерению влияния воздействия соединений на функции сердечной ткани с помощью микроэлектродов — исследователи Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса надеются сократить время, необходимое для новых испытания лекарств и обеспечение безопасности и эффективности потенциально спасающих жизнь лекарств при одновременном сокращении необходимости тестирования на людях и животных. Исследование было частью проекта лаборатории iCHIP (платформа для исследования человека на основе чипов in vitro), который воспроизводил человеческие системы на специально разработанных платформах для проверки воздействия токсичных химических и биологических соединений.Исследование, опубликованное в Интернете 18 апреля в журнале Lab on a Chip и размещенное на внутренней стороне обложки предстоящей печатной версии журнала, описывает успешную регистрацию как электрических сигналов, так и биения клеток нормальных клеток сердца человека, выращенных на разработанной многоэлектродной матрице. в лаборатории.
По словам исследователей, это первая конструкция, способная одновременно отображать электрофизиологию и частоту сокращения клеток.«Эта платформа позволяет проводить высокопроизводительный скрининг фармацевтических препаратов и прогнозировать их влияние на сердце», — сказала главный исследователь iCHIP Элизабет Уиллер. «Это исследование позволяет нам впервые измерить две функции сердца, сокращение и электрофизиологию. Все еще есть подтверждения и данные, которые нам нужны, но в конечном итоге это позволит нам снизить потребность в тестировании на животных».Исследователи заявили, что возможность записывать эти две функции будет полезна фармацевтическим компаниям, потому что она может предупредить производителей лекарств о сердечных проблемах, вызванных лекарством на ранней стадии процесса, еще до стадии клинических испытаний.
Кардиотоксичность — частый побочный эффект многих новых лекарств и часто способствует их окончательному провалу. Другие часто назначаемые препараты, такие как химиотерапевтические агенты, также известны своей кардиотоксичностью.
Исследования с использованием сердечного чипа могут предоставить экспериментальную информацию о том, как действуют лекарства, чтобы можно было разработать новые соединения, чтобы избежать этих ловушек.«Проблемы с сердцем могут быть вызваны множеством разных причин, — сказал исследователь LLNL Фан Цянь, ведущий автор статьи. "Это может быть связано с ненормальной проводимостью электрического сигнала по всему сердцу (например, аритмия), или с ослабленной силой сокращения сердечных мышц (например, кардиомиопатия), или с тем и другим вместе. Платформа, которая считывает только одну функцию, не может точно сказать нам, что не так . "«Сердце на чипе», основанное на предыдущих успешных исследованиях iCHIP периферической и центральной нервной систем, предполагает использование человеческих сердечных клеток, культивируемых в течение девяти дней на специально разработанном чипе. Удивительно, но эти клетки естественным образом и спонтанно превращаются в двумерную сердечную ткань, которая сокращается или начинает «биться» после двух дней культивирования.
Ткань подверглась воздействию норэпинефрина, стимулирующего препарата, используемого для лечения низкого кровяного давления и сердечной недостаточности, и как электрический сигнал, так и биение увеличились в клетках, подобно тому, что происходит в организме.Изменение «частоты сердечных сокращений» измеряли с помощью высокочувствительных электродов в матрице микроэлектродов. Исследователи пришли к выводу, что платформа может точно и неинвазивно измерять рост сердечной ткани, электрофизиологию и сердцебиение одновременно и в режиме реального времени.
«Настоящая сила платформы — это возможность одновременно измерять электрические и механические аспекты сердца», — сказал исследователь LLNL Крис Кулп. «Одно из химических веществ, которое мы использовали для проверки платформы, фактически отделяет электрический сигнал от биения клеток. Когда клетки подвергались воздействию этого соединения, электрические сигналы продолжались нормально, но клетки перестали сокращаться. Чтобы успешно разработать новые лекарства, мы необходимо знать полный спектр эффектов, которые они могут оказывать на функцию клеток ».
Самая сложная часть выращивания клеток, по словам постдокторского исследователя LLNL Чао Хуанга, заключалась в рассмотрении различных плотностей посева клеток, чтобы найти ту, которая будет оставаться в живых достаточно долго и сможет измеримо сокращаться и реагировать аналогично тому, что ожидается от людей. . Исследователь LLNL Анна Ивановская, которая занималась схемным моделированием и проектированием, сказала, что выбор правильной геометрии для микросхемы также был трудным, потому что компоновка влияет на электрический сигнал. Ивановская сказала, что они с командой протестировали четыре различных модификации электродной решетки, прежде чем остановились на правильной.Ученые LLNL считают, что после валидации надежную платформу «сердце на чипе» можно будет использовать для преодоления некоторых ограничений тестирования новых лекарств и обеспечения комплексной оценки работы сердца при медицинских контрмерах и разработке лекарств.
Однако они предупреждают, что необходимы дополнительные испытания.«Благодаря высокопроизводительному и содержательному скринингу вы можете протестировать множество лекарств одновременно и получить сразу много данных», — сказал Цянь. «Поразительно, сколько денег и времени уходит на то, чтобы доставить лекарства на рынок.
Это может ускорить процесс».