Gli scienziati della Bay Area hanno catturato l'attività elettrica in tempo reale di un cuore che batte, utilizzando un foglio di grafene per registrare un'immagine ottica, quasi come una videocamera, dei deboli campi elettrici generati dall'attivazione ritmica delle cellule muscolari del cuore.

La camera al grafene rappresenta un nuovo tipo di sensore utile per studiare cellule e tessuti che generano tensioni elettriche, inclusi gruppi di neuroni o cellule del muscolo cardiaco. Ad oggi, elettrodi o coloranti chimici sono stati utilizzati per misurare l'accensione elettrica in queste celle. Ma elettrodi e coloranti misurano la tensione solo in un punto; un foglio di grafene misura continuamente la tensione su tutto il tessuto che tocca.

Lo sviluppo, pubblicato online la scorsa settimana sulla rivista Nano lettere , nasce da una collaborazione tra due team di fisici quantistici dell'Università della California, Berkeley, e chimici fisici alla Stanford University.

"Poiché stiamo visualizzando tutte le cellule contemporaneamente su una fotocamera, non dobbiamo scansionare, e non abbiamo solo una misura del punto. Possiamo immaginare l'intera rete di cellule allo stesso tempo, " ha detto Halleh Balch, uno dei tre primi autori dell'articolo e un recente dottorato di ricerca. destinatario nel Dipartimento di Fisica dell'UC Berkeley.

Mentre il sensore al grafene funziona senza dover etichettare le cellule con coloranti o traccianti, può essere facilmente combinato con la microscopia standard per l'immagine di tessuto nervoso o muscolare marcato con fluorescenza mentre contemporaneamente registra i segnali elettrici che le cellule usano per comunicare.

"La facilità con cui è possibile visualizzare un'intera regione di un campione potrebbe essere particolarmente utile nello studio delle reti neurali che coinvolgono tutti i tipi di cellule, " ha detto un altro primo autore dello studio, Allister McGuire, che ha recentemente conseguito un dottorato di ricerca. di Stanford. "Se hai un sistema cellulare marcato con fluorescenza, potresti prendere di mira solo un certo tipo di neurone. Il nostro sistema ti permetterebbe di catturare l'attività elettrica in tutti i neuroni e nelle loro cellule di supporto con un'integrità molto elevata, che potrebbe davvero avere un impatto sul modo in cui le persone fanno questi studi a livello di rete".

Il grafene è un foglio spesso un atomo di atomi di carbonio disposti in uno schema esagonale bidimensionale che ricorda il nido d'ape. La struttura 2D ha catturato l'interesse dei fisici per diversi decenni a causa delle sue proprietà elettriche e robustezza uniche e delle sue interessanti proprietà ottiche e optoelettroniche.

"Questo è forse il primo esempio in cui è possibile utilizzare una lettura ottica di materiali 2D per misurare campi elettrici biologici, ", ha affermato l'autore senior Feng Wang, Professore di fisica all'Università di Berkeley. "Le persone hanno usato materiali 2D per fare un po' di rilevamento con una lettura elettrica pura prima, ma questo è unico in quanto funziona con la microscopia in modo da poter eseguire il rilevamento parallelo".

Il team chiama lo strumento un sensore di campo elettrico al grafene amplificato da guida d'onda accoppiato in modo critico, o sensore CAGE.

"Questo studio è solo preliminare; vogliamo mostrare ai biologi che esiste uno strumento del genere che puoi usare, e puoi fare grandi immagini. Ha una rapida risoluzione temporale e una grande sensibilità al campo elettrico, " disse il terzo primo autore, Jason Horng, un dottorato di ricerca dell'Università di Berkeley destinatario che ora è un borsista post-dottorato presso il National Institute of Standards and Technology. "Proprio adesso, è solo un prototipo, ma in futuro, Penso che possiamo migliorare il dispositivo".

Il grafene è sensibile ai campi elettrici

Dieci anni fa, Wang ha scoperto che un campo elettrico influenza il modo in cui il grafene riflette o assorbe la luce. Balch e Horng hanno sfruttato questa scoperta per progettare la fotocamera al grafene. Hanno ottenuto un foglio di grafene di circa 1 centimetro su un lato prodotto dalla deposizione chimica da vapore nel laboratorio del professore di fisica dell'Università di Berkeley Michael Crommie e hanno posizionato su di esso un cuore vivo da un embrione di pollo, appena estratto da un uovo fecondato. Questi esperimenti sono stati eseguiti nel laboratorio di Stanford di Bianxiao Cui, che sviluppa strumenti su scala nanometrica per studiare la segnalazione elettrica nei neuroni e nelle cellule cardiache.

Il team ha dimostrato che quando il grafene è stato sintonizzato correttamente, i segnali elettrici che scorrevano lungo la superficie del cuore durante un battito erano sufficienti per modificare la riflettanza del foglio di grafene.

"Quando le cellule si contraggono, sparano potenziali d'azione che generano un piccolo campo elettrico all'esterno della cellula, " ha detto Balch. "L'assorbimento del grafene proprio sotto quella cellula è modificato, quindi vedremo un cambiamento nella quantità di luce che ritorna da quella posizione sulla vasta area di grafene".

Negli studi iniziali, però, Horng ha scoperto che il cambiamento nella riflettanza era troppo piccolo per essere rilevato facilmente. Un campo elettrico riduce la riflettanza del grafene al massimo del 2%; l'effetto era molto minore dai cambiamenti nel campo elettrico quando le cellule del muscolo cardiaco hanno attivato un potenziale d'azione.

Insieme, Balco, Horng e Wang hanno trovato un modo per amplificare questo segnale aggiungendo una sottile guida d'onda sotto il grafene, costringendo la luce laser riflessa a rimbalzare internamente circa 100 volte prima di fuggire. Ciò ha reso il cambiamento di riflettanza rilevabile da una normale videocamera ottica.

"Un modo di pensare è che più volte la luce rimbalza sul grafene mentre si propaga attraverso questa piccola cavità, più effetti percepisce la luce dalla risposta del grafene, e questo ci permette di ottenere molto, altissima sensibilità ai campi elettrici e tensioni fino a microvolt, " ha detto Balc.

L'aumento dell'amplificazione abbassa necessariamente la risoluzione dell'immagine, ma a 10 micron, è più che sufficiente per studiare cellule cardiache di diverse decine di micron di diametro, lei disse.

Un'altra applicazione, McGuire ha detto, consiste nel testare l'effetto dei farmaci candidati sul muscolo cardiaco prima che questi farmaci vengano sottoposti a sperimentazioni cliniche per vedere se, Per esempio, inducono un'aritmia indesiderata. Per dimostrare questo, lui e i suoi colleghi hanno osservato il battito del cuore di pollo con CAGE e un microscopio ottico mentre lo infondevano con un farmaco, blebbistatina, che inibisce la proteina muscolare miosina. Osservarono il cuore smettere di battere, ma CAGE ha mostrato che i segnali elettrici non erano influenzati.

Poiché i fogli di grafene sono meccanicamente resistenti, potrebbero anche essere posizionati direttamente sulla superficie del cervello per ottenere una misura continua dell'attività elettrica, ad esempio per monitorare l'attivazione dei neuroni nel cervello di coloro che soffrono di epilessia o per studiare l'attività cerebrale fondamentale. Gli array di elettrodi odierni misurano l'attività in alcune centinaia di punti, non continuamente sulla superficie del cervello.

"Una delle cose che mi sorprende di questo progetto è che i campi elettrici mediano le interazioni chimiche, mediano le interazioni biofisiche - mediano tutti i tipi di processi nel mondo naturale - ma non li misuriamo mai. Misuriamo la corrente, e misuriamo la tensione, Balch ha detto. "La capacità di visualizzare effettivamente i campi elettrici ti dà uno sguardo a una modalità di cui in precedenza avevi poche informazioni".