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Mercoledì febbraio 1, 2023

Attacco di cuore su un chip: replica degli aspetti chiave del killer n. 1 d'America

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I ricercatori hanno sviluppato un "attacco di cuore su un chip" che replica alcune caratteristiche chiave di un attacco di cuore in un sistema relativamente semplice e facile da usare. Un giorno potrebbe servire da banco di prova per sviluppare nuovi farmaci per il cuore e persino medicine personalizzate.


USC i ricercatori Megan McCain e la postdoc Megan Rexius-Hall hanno progettato un modello in microscala in grado di replicare aspetti chiave dell'infarto miocardico e un giorno potrebbe servire da banco di prova per nuovi farmaci personalizzati per il cuore.

Un "attacco di cuore su un chip" - un dispositivo che un giorno potrebbe servire da banco di prova per sviluppare nuovi farmaci per il cuore e persino medicine personalizzate - è stato sviluppato dai ricercatori del Dipartimento di Biomedicina della University of Southern California (USC) Alfred E. Mann Ingegneria.


"Il nostro dispositivo replica alcune caratteristiche chiave di un infarto in un sistema relativamente semplice e facile da usare", ha affermato Megan McCain, professore associato di ingegneria biomedica e biologia delle cellule staminali e medicina rigenerativa, che ha sviluppato il dispositivo con la ricercatrice post-dottorato Megan Sala Rexius.

“Questo ci consente di capire più chiaramente come cambia il cuore dopo un infarto. Da lì, noi e altri possiamo sviluppare e testare farmaci che saranno più efficaci per limitare l'ulteriore degradazione del tessuto cardiaco che può verificarsi dopo un infarto", ha aggiunto McCain.

McCain, un "ingegnere del tessuto cardiaco", il cui lavoro in precedenza includeva lo sviluppo congiunto di un cuore su un chip, e Rexius-Hall descrivono in dettaglio le loro scoperte in un articolo pubblicato di recente sulla rivista Anticipi Scienza intitolato "Un infarto miocardico Border-Zone-On-A-Chip dimostra la regolazione distinta della funzione del tessuto cardiaco mediante un gradiente di ossigeno".


L'assassino n. 1 d'America

La malattia coronarica è il killer n. 1 in America. Nel 2018, 360,900 americani ne sono morti, rendendo le malattie cardiache responsabili del 12.6% di tutti i decessi negli Stati Uniti, secondo l'AHA. Una grave malattia coronarica può causare un attacco di cuore, che rappresenta gran parte di quel dolore e sofferenza. Gli attacchi di cuore si verificano quando il grasso, il colesterolo e altre sostanze nelle arterie coronarie riducono gravemente il flusso di sangue ricco di ossigeno a una parte del cuore. Tra il 2005 e il 2014, una media di 805,000 americani all'anno ha avuto attacchi di cuore.

Anche se un paziente sopravvive a un infarto, nel tempo può diventare sempre più affaticato, snervato e malato; alcuni addirittura muoiono a causa di insufficienza cardiaca. Questo perché le cellule del cuore non si rigenerano come le altre cellule muscolari. Invece, le cellule immunitarie compaiono nel sito della lesione, alcune delle quali possono essere dannose. Inoltre, si sviluppano cicatrici che indeboliscono il cuore e la quantità di sangue che può pompare.

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Modello in microscala sviluppato dai ricercatori dell'USC Megan Mccain e Megan Rexius in grado di replicare aspetti chiave dell'infarto del miocardio e un giorno potrebbe servire da banco di prova per nuovi farmaci personalizzati per il cuore. Credito: Megan Rexius

Tuttavia, gli scienziati non comprendono completamente questo processo, in particolare come le cellule cardiache nelle parti sane e ferite del cuore comunicano tra loro e come e perché cambiano dopo un infarto.


McCain e Rexius-Hall credono che il loro infarto su un chip possa far luce su questi misteri.

"Fondamentalmente, vogliamo avere un modello che possa portare a una migliore comprensione delle lesioni da infarto", ha affermato Rexius-Hall.  

Attacco di cuore su un chip

L'infarto su un chip è letteralmente costruito da zero. Alla base c'è un dispositivo microfluidico quadrato di 22 millimetri per 22 millimetri poco più grande di un quarto - realizzato con un polimero simile alla gomma chiamato PDMS - con due canali sui lati opposti attraverso i quali scorrono i gas. Al di sopra si trova uno strato molto sottile dello stesso materiale gommoso, che è permeabile all'ossigeno. Un microstrato di proteine ​​​​viene quindi modellato sulla parte superiore del chip, "in modo che le cellule del cuore si allineino e formino la stessa architettura che abbiamo nei nostri cuori", ha detto McCain. Infine, le cellule cardiache dei roditori vengono coltivate sopra la proteina.

Per simulare un infarto, il gas con ossigeno e il gas senza ossigeno vengono rilasciati attraverso ciascun canale del dispositivo microfluidico, "esponendo il nostro cuore su un chip a un gradiente di ossigeno, simile a ciò che accade realmente in un attacco di cuore", ha detto McCain.

Poiché il dispositivo microfluidico è piccolo, chiaro e facile da vedere al microscopio, ha aggiunto McCain, consente anche ai ricercatori di osservare in tempo reale i cambiamenti funzionali che a volte si verificano nel cuore dopo un attacco, inclusa un'aritmia o un battito cardiaco irregolare. e disfunzione contrattile o diminuzione della forza di contrazione del cuore. In futuro, i ricercatori potranno rendere il modello più complesso aggiungendo cellule immunitarie o fibroblasti, le cellule che generano la cicatrice dopo un infarto.

Al contrario, i ricercatori non possono osservare i cambiamenti nel tessuto cardiaco in tempo reale con modelli animali. Inoltre, i tradizionali modelli di coltura cellulare espongono uniformemente le cellule cardiache a livelli di ossigeno alti, medi o bassi, ma non a un gradiente. Ciò significa che non possono imitare ciò che accade realmente alle cellule cardiache danneggiate nella cosiddetta zona di confine dopo un infarto, ha detto Rexius-Hall.

McCain ha aggiunto: "È molto eccitante e gratificante immaginare che il nostro dispositivo avrà un impatto positivo sulla vita dei pazienti nel prossimo futuro, in particolare per gli attacchi di cuore, che sono estremamente diffusi".

Riferimento: "Un infarto miocardico border-zone-on-a-chip dimostra una regolazione distinta della funzione del tessuto cardiaco mediante un gradiente di ossigeno" 7 dicembre 2022, Anticipi Scienza.
DOI: 10.1126/sciadv.abn7097



Altri coautori di questo documento includono Natalie Khalil, un dottorato di ricerca dell'USC Viterbi. studente in ingegneria biomedica; Sean Escopete e Sarah Parker dello Smidt Heart Institute del Cedars-Sinai Medical Center; e Xin Li, Jiayi Hu, Hongyan Yuan del Dipartimento di Meccanica e Ingegneria Aerospaziale della Southern University of Science and Technology in Cina.

Il National Heart, Lung, and Blood Institute e l'American Heart Association (AHA) hanno sostenuto questa ricerca.


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