Låser op for rigere intracellulære optagelser

Bag hvert hjerteslag og hjernesignal er et massivt orkester af elektrisk aktivitet. Mens nuværende elektrofysiologiske observationsteknikker for det meste har været begrænset til ekstracellulære optagelser, en fremsynet gruppe forskere fra Carnegie Mellon University og Istituto Italiano di Tecnologia har identificeret en fleksibel, lavpris, og biokompatibel platform til at muliggøre rigere intracellulære optagelser.

Gruppens unikke partnerskab "på tværs af havet" startede for to år siden på Bioelectronics Winter School (BioEl) med libations og en bar-servietskitse. Det har udviklet sig til forskning offentliggjort i Videnskabens fremskridt , beskriver en ny mikroelektrodeplatform, der udnytter tredimensionel fuzzy graphene (3DFG) for at muliggøre rigere intracellulære optagelser af hjerteaktionspotentialer med højt signal-støjforhold. Dette fremskridt kan revolutionere igangværende forskning relateret til neurodegenerative sygdomme og hjertesygdomme, samt udvikling af nye terapeutiske strategier.

En central leder i dette arbejde, Tzahi Cohen-Karni, lektor i biomedicinsk teknik og materialevidenskab og teknik, har undersøgt egenskaberne, effekter, og potentielle anvendelser af grafen gennem hele hans karriere. Nu, han tager et samarbejdende skridt i en anden retning, ved at bruge en vertikalt dyrket orientering af det ekstraordinære kulstofbaserede materiale (3DFG) for at få adgang til cellens intracellulære rum og registrere intracellulær elektrisk aktivitet.

På grund af dets unikke elektriske egenskaber, graphene skiller sig ud som en lovende kandidat til kulstofbaserede biosensing-enheder. Nylige undersøgelser har vist den vellykkede anvendelse af grafenbiosensorer til overvågning af den elektriske aktivitet af kardiomyocytter, eller hjerteceller, uden for cellerne, eller med andre ord, ekstracellulære optagelser af aktionspotentialer. Intracellulære optagelser, på den anden side, har været begrænset på grund af ineffektive værktøjer ... indtil nu.

"Vores mål er at optage hele orkestret - at se alle de ioniske strømme, der krydser cellemembranen - ikke kun delmængden af ​​orkestret vist ved ekstracellulære optagelser, " forklarer Cohen-Karni. "At tilføje den dynamiske dimension af intracellulære optagelser er fundamentalt vigtigt for lægemiddelscreening og toksicitetsassay, men dette er blot et vigtigt aspekt af vores arbejde."

"Resten er den teknologiske udvikling, " Cohen-Karni fortsætter. "3DFG er billig, fleksibel og en helt carbon platform; ingen metaller involveret. Vi kan generere elektroder i waferstørrelse af dette materiale for at muliggøre multi-site intracellulære optagelser i løbet af få sekunder, hvilket er en væsentlig forbedring fra et eksisterende værktøj, som en lappeklemme, hvilket kræver timers tid og ekspertise."

Så, hvordan virker det? Udnyttelse af en teknik udviklet af Michele Dipalo og Francesco De Angelis, forskere ved Istituto Italiano di Tecnologia, en ultrahurtig laser bruges til at få adgang til cellemembranen. Ved at skinne korte laserimpulser på 3DFG-elektroden, et område af cellemembranen bliver porøst på en måde, giver mulighed for at registrere elektrisk aktivitet i cellen. Derefter, kardiomyocytterne dyrkes for yderligere at undersøge interaktioner mellem cellerne.

Interessant nok, 3DFG er sort og absorberer det meste af lyset, resulterer i unikke optiske egenskaber. Kombineret med dens skumlignende struktur og enorme udsatte overflade, 3DFG har mange ønskværdige egenskaber, der er nødvendige for at lave små biosensorer.

"Vi har udviklet en smartere elektrode; en elektrode, der giver os bedre adgang, " understreger Cohen-Karni. "Den største fordel fra min side er, at vi kan få adgang til denne signalrigdom, at kunne se på processer af intracellulær betydning. At have et værktøj som dette vil revolutionere den måde, vi kan undersøge virkninger af terapeutiske midler på terminale organer, såsom hjertet."

Efterhånden som dette arbejde skrider frem, holdet planlægger at anvende sine erfaringer i storskala celle/væv-grænseflader, for bedre at forstå vævsudvikling og toksicitet af kemiske forbindelser (f.eks. lægemiddeltoksicitet).