科学家在芯片上模拟心脏病发作

含有HL-1心脏细胞的微流体装置能够模拟心脏病发作时观察到的情况，包括氧气水平的降低。

该芯片包含多路复用阵列电子传感器放置在细胞内外，可以检测单个细胞膜上电压的升降，以及移动在细胞层上的电压波，这使得芯片中的细胞一致跳动，就像它们在心脏中一样。在设备内液体中的氧气水平降低后，传感器检测到最初阶段的心动过速(心跳加速)，随后心跳速率降低，最终心律失常很像心脏骤停。

这项研究是在细胞水平上理解缺血性心脏病发作的电生理反应的一个重大进展，可以应用于未来的药物开发。这篇论文被美国化学学会(American Chemical Society)选为“编辑之选”(Editors ' Choice)，并可公开获取。

心血管病(CVD)仍然是全球范围内的主要死亡原因，大多数患者都患有心脏缺血——当向心脏供血的动脉部分或完全阻塞时发生。如果缺血持续一段时间，心脏组织就会缺氧(这种情况称为“缺氧”)，并可能导致组织死亡或心肌梗死。由缺氧引起的心脏细胞和组织的变化包括跨细胞膜电压电位的变化、神经递质的释放、基因表达的改变、代谢功能的改变以及离子通道的激活或失活。

的生物传感器技术在微流控芯片中使用的多电极阵列可以提供细胞外电压模式的读数，纳米探针进入细胞膜以读取每个细胞内的电压水平(动作电位)。芯片中的微小通道允许研究人员连续而精确地调整流过细胞的液体，将氧含量降低到大约1- 4%来模拟缺氧，或将氧含量提高到21%来模拟正常情况。这些变化的情况是为了模拟当动脉阻塞时心脏细胞发生的变化，然后通过治疗重新打开。

“芯片上的心脏模型是模拟疾病的强大工具，但目前研究这些系统电生理学的工具有些缺乏，因为它们要么难以复制，要么最终会对细胞造成损害。”该研究的通讯作者、塔夫茨大学工程学院生物医学工程助理教授Brian Timko说。“分子之间的信号通路和最终的电生理在缺氧期间迅速发生，我们的设备可以为大量细胞同时实时捕获大量信息。”

当测试时，细胞外电极阵列提供了一个二维的电压波图，通过心脏细胞层，并显示了正常(21%)氧气水平下可预测的波型。相比之下，研究人员观察到，当氧气含量降低到1%时，波动模式不稳定且较慢。

的胞内nanoprobe传感器提供了每个细胞内动作电位的非常准确的图像。这些传感器被布置成一排微小的铂尖针，细胞就栖息在针上，就像一张钉床。当受到电场刺激时，这些针会刺穿细胞膜，在那里它们可以开始测量单个细胞的分辨率。这两种类型的设备都是使用光刻技术制造的——这种技术用于制造集成电路——它允许研究人员实现具有高度重现性的设备阵列。

细胞外和细胞内的传感器一起提供了模拟缺血发作的电生理效应的信息，包括细胞功能失调然后对治疗作出反应的“时间间隔”。因此，微流控芯片可以形成药物发现高通量平台的基础，识别帮助细胞和组织更快恢复正常功能的疗法。

“在未来，我们可以超越缺氧的影响，考虑导致急性心脏病的其他因素，如酸中毒、营养剥夺和废物积累，只需简单地修改介质的组成和流动，”Timko说。“我们还可以结合不同类型的传感器，来检测在应激反应中表达的特定分子。”