Studerer hjerteceller med nanovulkaner

Forskere ved EPFL og University of Bern har udviklet en banebrydende metode til at studere de elektriske signaler fra hjertemuskelceller. Teknologien har mange potentielle anvendelser inden for grundlæggende og anvendt forskning - såsom forbedring af søgningen efter mekanismer, der ligger til grund for hjertearytmier.

Celler er de mindste boenheder i menneskekroppen. Spændende celler som neuroner og hjertemuskelceller - kardiomyocytter - bruger elektriske signaler, såkaldte handlingspotentialer, at kommunikere med hinanden. Forskere studerer disse signaler, der ligger til grund for normal hjerne- og hjertefunktion ved hjælp af elektroder placeret enten udenfor eller inde i cellemembranen, metoder kendt som ekstracellulær og intracellulær optagelse.

Forskere ved EPFL's Microsystems Laboratory 4 (LMIS4), ledet af Philippe Renaud, og Laboratory of Cellular Optics II fra University of Bern, ledet af Stephan Rohr, er gået sammen om at udvikle en ny mikroelektrode, der uden hjælp trænger ind i cellemembranen og, når de placeres i en matrix, tillader forskere at følge elektrisk aktivitet, når den spredes gennem væv. Forskernes fund er blevet offentliggjort i Nano bogstaver .

Banebrydende teknologi

Mens registreringssystemer for cellulær elektrisk aktivitet har udviklet sig markant gennem årene, de har stadig begrænsninger. Ikke-invasive ekstracellulære multielektrode-arrays, der anvender elektroder placeret uden for membranen, rapporterer signaler, der kun er indirekte relateret til handlingspotentialerne. De fortæller forskere lidt om den faktiske form for handlingspotentialet - en forbigående stigning i cellernes membranpotentiale - som får hjertet til at slå, for eksempel.

Da mobilaktionspotentialer først blev målt af Silvio Weidmann fra University of Bern's Department of Physiology for syv årtier siden, forskere har målt disse signaler ved at få intracellulær adgang med mikroelektroder. Disse elektroder kan pæles ​​ind i cellerne, eller de kan placeres på cellemembranen, hvorefter membranen åbnes under elektrodeens munding. Dette kan gøres enten mekanisk eller ved elektroporation - påføring af højspændingsimpulser på elektroden. Sidstnævnte teknik blev for nylig brugt til at få intracellulær adgang af nanostrukturerede elektroder i form af mikroskopiske svampe, for eksempel. Imidlertid, denne metode er ikke ideel, fordi grænsefladen mellem cellemembranen og nanostrukturen er ustabil, efterlader kun et kort vindue - typisk højst et par sekunder eller minutter - for forskere at registrere handlingspotentialer fra celler.

Inspireret af naturen

EPFL og University of Bern-teamet tog de bedste egenskaber ved eksisterende teknologier og kom med et genialt vulkanformet design for at omgå dette problem. "Ved at omarbejde geometrien og materialerne, vi udviklede en elektrode, der uden hjælp trænger ind i cellemembranen, hvilket eliminerer behovet for elektroporation, "siger Benoît Desbiolles, en doktorandassistent på LMIS4 og hovedforfatter af publikationen. "Vi trak også på tidligere undersøgelser fra vores laboratorium, som viser, at efterligning af cellemembranen stabiliserer celle-elektrode-grænsefladen. "

Den nye type elektrode, opfundet som en nanovulkan, består af tre dele. Den første er kraterkanten. Den består af en guldring, der har samme størrelse og er foret med de samme biomolekyler som selve cellemembranen. Inde i krateret sidder en platinelektrode, der bruges til at opfange de elektriske signaler. Ydersiden er omgivet af isoleringsglas. "Når du placerer en celle på strukturen, og den begynder at lægge sig, de skarpe kanter gennemborer membranen, og elektroden trænger ind i cellen, "forklarer Desbiolles." I stedet for at reformere, membranen forankrer sig til guldringen, skaber de ideelle betingelser for at registrere cellens elektriske aktivitet. "

Lovende applikationer

Brug af nanovulkanarrays, forskere kan måle aktionspotentialer flere steder i en cellekultur samtidigt, giver et væld af indsigt i, hvordan hjertemuskelceller interagerer i rummet.

"For elektrofysiologer som mig, denne teknologi er noget af en drøm, der går i opfyldelse, "siger Stephan Rohr, der var medforfatter til udgivelsen. "Samt måling af individuelle cellers handlingspotentiale, vi kan nu studere, hvordan formeringsaktionspotentialer ændrer deres form afhængigt af vævsstrukturen og patologiske tilstande. Denne viden er afgørende for en dybere forståelse af de mekanismer, der fører til potentielt dødelige hjertearytmier. "

Nanovulkaner har potentielle anvendelser langt ud over kardiel elektrofysiologi. "Bortset fra sit banebrydende design, vores elektrode er også ekstremt let at lave, "forklarer Desbiolles. Der køres i øjeblikket tests for at se, om det fungerer lige godt med neuroner og andre spændende celletyper. Ifølge den unge forsker, designet holder løfte om andre videnskabelige discipliner, også:"Nanovulkaner åbner en dør ind i cellen. Du kan tænkes at udføre elektrokemi indeni." Teknologien kan også appellere til medicinalindustrien, tillader forskere at teste, hvordan celler reagerer på lægemidler, og i det lange løb, udvikle målrettede terapier.