I ricercatori dell'EPFL e dell'Università di Berna hanno sviluppato un metodo innovativo per studiare i segnali elettrici delle cellule del muscolo cardiaco. La tecnologia ha numerose potenziali applicazioni nella ricerca di base e applicata, come il miglioramento della ricerca dei meccanismi alla base delle aritmie cardiache.

Le cellule sono le unità viventi più piccole del corpo umano. Le cellule eccitabili come i neuroni e le cellule del muscolo cardiaco, i cardiomiociti, utilizzano segnali elettrici, i cosiddetti potenziali d'azione, per comunicare tra loro. Gli scienziati studiano questi segnali alla base della normale funzione cerebrale e cardiaca utilizzando elettrodi posizionati all'esterno o all'interno della membrana cellulare, metodi noti come registrazione extracellulare e intracellulare.

Ricercatori del Microsystems Laboratory 4 (LMIS4) dell'EPFL, guidato da Philippe Renaud, e il Laboratorio di ottica cellulare II dell'Università di Berna, guidato da Stephan Rohr, hanno unito le forze per sviluppare un nuovo microelettrodo che penetra la membrana cellulare senza assistenza e, quando inserito in un array, consente agli scienziati di seguire l'attività elettrica mentre si diffonde attraverso i tessuti. I risultati dei ricercatori sono stati pubblicati in Nano lettere .

Tecnologia all'avanguardia

Mentre i sistemi di registrazione dell'attività elettrica cellulare si sono evoluti notevolmente nel corso degli anni, hanno ancora dei limiti. Gli array multielettrodi extracellulari non invasivi che utilizzano elettrodi posizionati all'esterno della membrana riportano segnali che sono solo indirettamente correlati ai potenziali d'azione. Dicono poco agli scienziati sulla forma effettiva del potenziale d'azione - un aumento transitorio del potenziale di membrana delle cellule - che fa battere il cuore, Per esempio.

Poiché i potenziali d'azione cellulari sono stati misurati per la prima volta da Silvio Weidmann del Dipartimento di Fisiologia dell'Università di Berna, settant'anni fa, gli scienziati hanno misurato questi segnali ottenendo l'accesso intracellulare con microelettrodi. Questi elettrodi possono essere infilzati nelle celle, oppure possono essere posizionati sulla membrana cellulare, dopodiché la membrana viene aperta sotto l'imboccatura dell'elettrodo. Questo può essere fatto meccanicamente o mediante elettroporazione, l'applicazione di impulsi ad alta tensione all'elettrodo. Quest'ultima tecnica è stata recentemente utilizzata per ottenere l'accesso intracellulare da elettrodi nanostrutturati a forma di funghi microscopici, Per esempio. Però, questa metodologia non è ideale perché l'interfaccia tra la membrana cellulare e la nanostruttura è instabile, lasciando solo una breve finestra, in genere pochi secondi o minuti al massimo, affinché gli scienziati possano registrare i potenziali d'azione dalle cellule.

Ispirato dalla natura

Il team dell'EPFL e dell'Università di Berna ha preso le migliori caratteristiche delle tecnologie esistenti e ha ideato un ingegnoso design a forma di vulcano per aggirare questo problema. "Rielaborando la geometria e i materiali, abbiamo sviluppato un elettrodo che penetra senza assistenza nella membrana cellulare, eliminando così la necessità di elettroporazione, "dice Benoît Desbiolles, assistente di dottorato presso LMIS4 e autore principale della pubblicazione. "Abbiamo anche attinto a precedenti ricerche del nostro laboratorio, il che dimostra che l'imitazione della membrana cellulare stabilizza l'interfaccia cellula-elettrodo".

Il nuovo tipo di elettrodo, coniato come un nanovulcano, si compone di tre parti. Il primo è il bordo del cratere. Consiste in un anello d'oro delle stesse dimensioni e rivestito con le stesse biomolecole della membrana cellulare stessa. All'interno del cratere si trova un elettrodo di platino utilizzato per captare i segnali elettrici. L'esterno è circondato da vetrate isolanti. "Una volta posizionata una cella sulla struttura e questa inizia a sdraiarsi, i bordi taglienti perforano la membrana e l'elettrodo penetra nella cella, " spiega Desbiolles. "Invece di riformare, la membrana si ancora all'anello d'oro, creando le condizioni ideali per registrare l'attività elettrica della cellula."

Applicazioni promettenti

Utilizzando array di nanovulcani, gli scienziati possono misurare contemporaneamente i potenziali d'azione in più punti di una coltura cellulare, fornendo una vasta gamma di informazioni su come le cellule del muscolo cardiaco interagiscono nello spazio.

"Per gli elettrofisiologi come me, questa tecnologia è una sorta di sogno che si avvera, "dice Stephan Rohr, che è coautore della pubblicazione. "Oltre a misurare il potenziale d'azione delle singole cellule, possiamo ora studiare come i potenziali d'azione che si propagano cambiano la loro forma a seconda della struttura del tessuto e delle condizioni patologiche. Questa conoscenza è vitale per una più profonda comprensione dei meccanismi che portano ad aritmie cardiache potenzialmente fatali".

I nanovulcani hanno potenziali applicazioni ben oltre l'elettrofisiologia cardiaca. "A parte il suo design innovativo, il nostro elettrodo è anche estremamente facile da realizzare, " spiega Desbiolles. Attualmente sono in corso test per vedere se funziona altrettanto bene con i neuroni e altri tipi di cellule eccitabili. Secondo il giovane ricercatore, il design è promettente per altre discipline scientifiche, anche:"I nanovulcani aprono una porta nella cella. Si potrebbe plausibilmente eseguire l'elettrochimica all'interno". La tecnologia potrebbe anche interessare l'industria farmaceutica, permettendo agli scienziati di testare come le cellule reagiscono ai farmaci e, a lungo termine, sviluppare terapie mirate.