Pop-up elektroniske sensorer kunne registrere, når individuelle hjerteceller opfører sig forkert

Ingeniører ved University of California San Diego har udviklet et kraftfuldt nyt værktøj, der overvåger den elektriske aktivitet inde i hjertecellerne ved hjælp af bittesmå "pop-up"-sensorer, der stikker ind i cellerne uden at beskadige dem. Enheden måler direkte bevægelsen og hastigheden af ​​elektriske signaler, der bevæger sig inden for en enkelt hjertecelle - en første - såvel som mellem flere hjerteceller. Det er også den første til at måle disse signaler inde i cellerne i 3D-væv.

Enheden, offentliggjort den 23. december i tidsskriftet Nature Nanotechnology , kunne gøre det muligt for forskere at få mere detaljeret indsigt i hjertesygdomme og sygdomme såsom arytmi (unormal hjerterytme), hjerteanfald og hjertefibrose (stivning eller fortykkelse af hjertevæv).

"At studere, hvordan et elektrisk signal udbreder sig mellem forskellige celler, er vigtigt for at forstå mekanismen for cellefunktion og sygdom," sagde førsteforfatter Yue Gu, som for nylig modtog sin ph.d. i materialevidenskab og teknik ved UC San Diego. "Uregelmæssigheder i dette signal kan for eksempel være et tegn på arytmi. Hvis signalet ikke kan forplante sig korrekt fra en del af hjertet til en anden, så kan en del af hjertet ikke modtage signalet, så det kan ikke trække sig sammen."

"Med denne enhed kan vi zoome ind på celleniveau og få et billede i meget høj opløsning af, hvad der foregår i hjertet; vi kan se, hvilke celler der ikke fungerer, hvilke dele der ikke er synkroniseret med de andre, og lokalisere hvor signalet er. er svag," sagde seniorforfatter Sheng Xu, professor i nanoteknik ved UC San Diego Jacobs School of Engineering. "Denne information kan bruges til at informere klinikere og sætte dem i stand til at stille bedre diagnoser."

Enheden består af et 3D-array af mikroskopiske felteffekttransistorer eller FET'er, der er formet som skarpe spidser. Disse små FET'er trænger gennem cellemembraner uden at beskadige dem og er følsomme nok til at detektere elektriske signaler - selv meget svage - direkte inde i cellerne. For at undgå at blive set som et fremmed stof og forblive inde i cellerne i lange perioder, er FET'erne belagt i et fosfolipid-dobbeltlag. FET'erne kan overvåge signaler fra flere celler på samme tid. De kan endda overvåge signaler på to forskellige steder inde i den samme celle.

"Det er det, der gør denne enhed unik," sagde Gu. "Den kan få to FET-sensorer til at trænge ind i én celle – med minimal invasivitet – og tillade os at se, hvilken vej et signal udbreder sig, og hvor hurtigt det går. Denne detaljerede information om signaltransport inden for en enkelt celle har hidtil været ukendt."

For at bygge enheden fremstillede teamet først FET'erne som 2D-former og bundede derefter udvalgte pletter af disse former på et forstrakt elastomerark. Forskerne løsnede derefter elastomerarket, hvilket fik enheden til at spænde og FET'erne til at folde ind i en 3D-struktur, så de kan trænge ind i cellerne.

"Det er ligesom en pop-up bog," sagde Gu. "Det starter som en 2D-struktur, og med trykkraft dukker det op i nogle dele og bliver til en 3D-struktur."

Holdet testede enheden på hjertemuskelcellekulturer og på hjertevæv, der blev konstrueret i laboratoriet. Eksperimenterne involverede at placere enten cellekulturen eller vævet oven på enheden og derefter overvåge de elektriske signaler, som FET-sensorerne opfangede. Ved at se, hvilke sensorer der først registrerede et signal og derefter måle de tider, det tog for andre sensorer at registrere signalet, kunne holdet bestemme, hvilken vej signalet rejste og dets hastighed. Forskerne var i stand til at gøre dette for signaler, der rejser mellem naboceller, og for første gang for signaler, der rejser inden for en enkelt hjertemuskelcelle.

Hvad der gør dette endnu mere spændende, sagde Xu, er, at det er første gang, at forskere har været i stand til at måle intracellulære signaler i 3D-vævskonstruktioner. "Indtil videre er det kun ekstracellulære signaler, altså signaler, der er uden for cellemembranen, der er blevet målt i disse typer væv. Nu kan vi faktisk opfange signaler inde i de celler, der er indlejret i 3D-vævet eller organoidet," han sagde.

Holdets eksperimenter førte til en interessant observation:signaler inde i individuelle hjerteceller rejser næsten fem gange hurtigere end signaler mellem flere hjerteceller. At studere disse slags detaljer kunne afsløre indsigt i hjerteabnormiteter på cellulært niveau, sagde Gu. "Sig, at du måler signalhastigheden i en celle og signalhastigheden mellem to celler. Hvis der er en meget stor forskel mellem disse to hastigheder - det vil sige, hvis den intercellulære hastighed er meget, meget mindre end den intracellulære hastighed - så det er sandsynligt, at der er noget galt i krydset mellem cellerne, muligvis på grund af fibrose," forklarede han.

Biologer kunne også bruge denne enhed til at studere signaltransport mellem forskellige organeller i en celle, tilføjede Gu. En enhed som denne kunne også bruges til at teste nye lægemidler og se, hvordan de påvirker hjerteceller og væv.

Enheden ville også være nyttig til at studere elektrisk aktivitet inde i neuroner. Dette er en retning, som teamet søger at udforske næste gang. Nede i linjen planlægger forskerne at bruge deres enhed til at registrere elektrisk aktivitet i ægte biologisk væv in vivo. Xu forestiller sig en implanterbar enhed, der kan placeres på overfladen af ​​et bankende hjerte eller på overfladen af ​​cortex. Men enheden er stadig langt fra det stadie. For at nå dertil har forskerne mere arbejde at gøre, herunder finjustering af layoutet af FET-sensorerne, optimering af FET-arrayets størrelse og materialer og integration af AI-assisteret signalbehandlingsalgoritmer i enheden. + Udforsk yderligere

Elektriske signaler mellem individuelle hjerteceller regulerer hjerteslag