Grafenkamera fanger elektrisk aktivitet i realtid af bankende hjerte

Bay Area-forskere har fanget den elektriske aktivitet i realtid af et bankende hjerte, ved at bruge et ark grafen til at optage et optisk billede - næsten som et videokamera - af de svage elektriske felter, der genereres af den rytmiske affyring af hjertets muskelceller.

Grafenkameraet repræsenterer en ny type sensor, der er nyttig til at studere celler og væv, der genererer elektriske spændinger, herunder grupper af neuroner eller hjertemuskelceller. Til dato, elektroder eller kemiske farvestoffer er blevet brugt til at måle elektrisk affyring i disse celler. Men elektroder og farvestoffer måler kun spændingen på ét punkt; et grafenark måler spændingen kontinuerligt over alt det væv, det rører ved.

Udviklingen, offentliggjort online i sidste uge i tidsskriftet Nano bogstaver , kommer fra et samarbejde mellem to hold kvantefysikere ved University of California, Berkeley, og fysiske kemikere ved Stanford University.

"Fordi vi afbilder alle celler samtidigt på et kamera, vi behøver ikke at scanne, og vi har ikke kun en punktmåling. Vi kan afbilde hele netværket af celler på samme tid, " sagde Halleh Balch, en af ​​tre første forfattere af papiret og en nylig ph.d. modtager i UC Berkeleys Institut for Fysik.

Mens grafensensoren fungerer uden at skulle mærke celler med farvestoffer eller sporstoffer, det kan nemt kombineres med standardmikroskopi for at afbilde fluorescerende mærket nerve- eller muskelvæv, mens det samtidig optager de elektriske signaler, som cellerne bruger til at kommunikere.

"Den lethed, hvormed du kan afbilde en hel region af en prøve, kunne være særlig nyttig i studiet af neurale netværk, der har alle mulige celletyper involveret, " sagde en anden førsteforfatter af undersøgelsen, Allister McGuire, der for nylig modtog en ph.d. fra Stanford. "Hvis du har et fluorescensmærket cellesystem, du er måske kun målrettet mod en bestemt type neuron. Vores system vil give dig mulighed for at fange elektrisk aktivitet i alle neuroner og deres støtteceller med meget høj integritet, hvilket virkelig kan påvirke den måde, folk udfører disse undersøgelser på netværksniveau på."

Grafen er et et-atom tykt ark af kulstofatomer arrangeret i et todimensionalt sekskantet mønster, der minder om honeycomb. 2D-strukturen har fanget fysikeres interesse i flere årtier på grund af dens unikke elektriske egenskaber og robusthed og dens interessante optiske og optoelektroniske egenskaber.

"Dette er måske det første eksempel, hvor du kan bruge en optisk udlæsning af 2D-materialer til at måle biologiske elektriske felter, " sagde seniorforfatter Feng Wang, UC Berkeley professor i fysik. "Folk har brugt 2D-materialer til at foretage nogle sansninger med ren elektrisk udlæsning før, men dette er unikt ved, at det fungerer med mikroskopi, så du kan udføre parallel detektion."

Holdet kalder værktøjet en kritisk koblet bølgeleder-forstærket grafen elektrisk feltsensor, eller CAGE-sensor.

"Denne undersøgelse er kun en foreløbig undersøgelse; vi ønsker at vise biologer, at der er sådan et værktøj, du kan bruge, og du kan lave fantastisk billedbehandling. Den har hurtig tidsopløsning og stor elektrisk feltfølsomhed, " sagde den tredje første forfatter, Jason Horng, en UC Berkeley Ph.D. modtager, der nu er postdoc ved National Institute of Standards and Technology. "Lige nu, det er bare en prototype, men i fremtiden, Jeg tror, ​​vi kan forbedre enheden."

Grafen er følsomt over for elektriske felter

Ti år siden, Wang opdagede, at et elektrisk felt påvirker, hvordan grafen reflekterer eller absorberer lys. Balch og Horng udnyttede denne opdagelse ved at designe grafenkameraet. De fik et ark grafen omkring 1 centimeter på en side fremstillet ved kemisk dampaflejring i laboratoriet hos UC Berkeley fysikprofessor Michael Crommie og anbragte et levende hjerte fra et kyllingeembryo på det. frisk udvundet fra et befrugtet æg. Disse eksperimenter blev udført i Stanford-laboratoriet i Bianxiao Cui, der udvikler værktøjer i nanoskala til at studere elektrisk signalering i neuroner og hjerteceller.

Holdet viste, at når grafen var indstillet korrekt, de elektriske signaler, der flød langs hjertets overflade under et slag, var tilstrækkelige til at ændre reflektansen af ​​grafenarket.

"Når celler trækker sig sammen, de affyrer aktionspotentialer, der genererer et lille elektrisk felt uden for cellen, " sagde Balch. "Absorptionen af ​​grafen lige under den celle er ændret, så vi vil se en ændring i mængden af ​​lys, der kommer tilbage fra den position på det store areal af grafen."

I indledende undersøgelser, imidlertid, Horng fandt ud af, at ændringen i reflektans var for lille til at kunne opdages let. Et elektrisk felt reducerer reflektansen af ​​grafen med højst 2 %; effekten var meget mindre fra ændringer i det elektriske felt, når hjertemuskelcellerne affyrede et aktionspotentiale.

Sammen, Balch, Horng og Wang fandt en måde at forstærke dette signal ved at tilføje en tynd bølgeleder under grafen, tvinger det reflekterede laserlys til at hoppe internt omkring 100 gange, før det undslipper. Dette gjorde ændringen i reflektans detekterbar af et normalt optisk videokamera.

"En måde at tænke det på er, at jo flere gange lyset preller af grafen, når det forplanter sig gennem dette lille hulrum, jo flere effekter lyset føler fra grafens reaktion, og det giver os mulighed for at opnå meget, meget høj følsomhed over for elektriske felter og spændinger ned til mikrovolt, " sagde Balch.

Den øgede forstærkning sænker nødvendigvis billedets opløsning, men ved 10 mikron, det er mere end nok at studere hjerteceller, der er flere titus mikrometer på tværs, hun sagde.

En anden applikation, McGuire sagde, er at teste virkningen af ​​lægemiddelkandidater på hjertemusklen, før disse lægemidler går i kliniske forsøg for at se, om for eksempel, de fremkalder en uønsket arytmi. For at demonstrere dette, han og hans kolleger observerede det bankende kyllingehjerte med CAGE og et optisk mikroskop, mens de infunderede det med et lægemiddel, blebbistatin, der hæmmer muskelproteinet myosin. De så, at hjertet holdt op med at slå, men CAGE viste, at de elektriske signaler var upåvirkede.

Fordi grafenplader er mekanisk hårdføre, de kan også placeres direkte på hjernens overflade for at få et kontinuerligt mål for elektrisk aktivitet - f.eks. at overvåge neuronfyring i hjernen hos dem med epilepsi eller for at studere fundamental hjerneaktivitet. Dagens elektrodearrays måler aktivitet på et par hundrede punkter, ikke kontinuerligt over hjernens overflade.

"En af de ting, der er forbløffende for mig ved dette projekt, er, at elektriske felter medierer kemiske interaktioner, medierer biofysiske interaktioner – de medierer alle mulige processer i den naturlige verden – men vi måler dem aldrig. Vi måler strøm, og vi måler spænding, " sagde Balch. "Evnen til faktisk at afbilde elektriske felter giver dig et kig på en modalitet, som du tidligere havde lidt indsigt i."