Dispositivo con un array di sensori FET in scala per misurare i segnali elettrici in un costrutto di tessuto cardiaco 3D. Credito:Yue Gu
Gli ingegneri dell'Università della California di San Diego hanno sviluppato un nuovo potente strumento che monitora l'attività elettrica all'interno delle cellule del cuore, utilizzando minuscoli sensori "a comparsa" che penetrano nelle cellule senza danneggiarle. Il dispositivo misura direttamente il movimento e la velocità dei segnali elettrici che viaggiano all'interno di una singola cellula cardiaca, la prima, nonché tra più cellule cardiache. È anche il primo a misurare questi segnali all'interno delle cellule dei tessuti 3D.
Il dispositivo, pubblicato il 23 dicembre sulla rivista Nature Nanotechnology , potrebbe consentire agli scienziati di ottenere informazioni più dettagliate su disturbi e malattie cardiache come l'aritmia (ritmo cardiaco anormale), l'infarto e la fibrosi cardiaca (irrigidimento o ispessimento del tessuto cardiaco).
"Studiare come un segnale elettrico si propaga tra diverse cellule è importante per comprendere il meccanismo della funzione cellulare e della malattia", ha detto il primo autore Yue Gu, che ha recentemente conseguito il dottorato di ricerca. in scienze dei materiali e ingegneria presso la UC San Diego. "Le irregolarità in questo segnale possono essere un segno di aritmia, ad esempio. Se il segnale non può propagarsi correttamente da una parte all'altra del cuore, allora una parte del cuore non può ricevere il segnale, quindi non può contrarsi."
"Con questo dispositivo, possiamo ingrandire il livello cellulare e ottenere un'immagine ad altissima risoluzione di ciò che sta succedendo nel cuore; possiamo vedere quali cellule non funzionano correttamente, quali parti non sono sincronizzate con le altre e individuare dove si trova il segnale è debole", ha affermato l'autore senior Sheng Xu, professore di nanoingegneria presso la UC San Diego Jacobs School of Engineering. "Queste informazioni potrebbero essere utilizzate per aiutare a informare i medici e consentire loro di fare diagnosi migliori."
Il dispositivo è costituito da un array 3D di transistor microscopici a effetto di campo, o FET, che hanno la forma di punte acuminate. Questi minuscoli FET perforano le membrane cellulari senza danneggiarle e sono abbastanza sensibili da rilevare segnali elettrici, anche molto deboli, direttamente all'interno delle cellule. Per evitare di essere visti come una sostanza estranea e rimanere all'interno delle cellule per lunghi periodi di tempo, i FET sono rivestiti da un doppio strato di fosfolipidi. I FET possono monitorare i segnali provenienti da più celle contemporaneamente. Possono persino monitorare i segnali in due siti diversi all'interno della stessa cella.
"Questo è ciò che rende unico questo dispositivo", ha affermato Gu. "Può avere due sensori FET che penetrano all'interno di una cellula, con un'invasività minima, e ci consentono di vedere in che modo si propaga un segnale e quanto velocemente va. Finora queste informazioni dettagliate sul trasporto del segnale all'interno di una singola cellula erano sconosciute". /P>
Per costruire il dispositivo, il team ha prima fabbricato i FET come forme 2D, quindi ha incollato punti selezionati di queste forme su un foglio di elastomero prestirato. I ricercatori hanno quindi allentato il foglio di elastomero, facendo piegare il dispositivo e piegando i FET in una struttura 3D in modo che possano penetrare all'interno delle cellule.
Immagine SEM dei sensori “pop-up” che misurano direttamente la velocità e il movimento dei segnali elettrici all'interno delle cellule cardiache. Credito:Yue Gu
"È come un libro pop-up", ha detto Gu. "Inizia come una struttura 2D e con la forza di compressione si apre in alcune parti e diventa una struttura 3D."
Il team ha testato il dispositivo su colture cellulari del muscolo cardiaco e su tessuti cardiaci progettati in laboratorio. Gli esperimenti prevedevano il posizionamento della coltura cellulare o del tessuto sopra il dispositivo e quindi il monitoraggio dei segnali elettrici rilevati dai sensori FET. Vedendo quali sensori hanno rilevato prima un segnale e quindi misurando il tempo impiegato dagli altri sensori per rilevare il segnale, il team ha potuto determinare in che direzione viaggiava il segnale e la sua velocità. I ricercatori sono stati in grado di farlo per i segnali che viaggiano tra cellule vicine e, per la prima volta, per i segnali che viaggiano all'interno di una singola cellula del muscolo cardiaco.
Ciò che rende tutto ciò ancora più eccitante, ha affermato Xu, è che questa è la prima volta che gli scienziati sono stati in grado di misurare i segnali intracellulari nei costrutti di tessuto 3D. "Finora, in questi tipi di tessuti sono stati misurati solo i segnali extracellulari, ovvero i segnali che si trovano al di fuori della membrana cellulare. Ora possiamo effettivamente raccogliere segnali all'interno delle cellule che sono incorporate nel tessuto 3D o nell'organoide", ha affermato. detto.
Gli esperimenti del team hanno portato a un'osservazione interessante:i segnali all'interno delle singole cellule cardiache viaggiano quasi cinque volte più velocemente dei segnali tra più cellule cardiache. Lo studio di questo tipo di dettagli potrebbe rivelare approfondimenti sulle anomalie cardiache a livello cellulare, ha affermato Gu. "Supponiamo che stai misurando la velocità del segnale in una cella e la velocità del segnale tra due celle. Se c'è una differenza molto grande tra queste due velocità, cioè se la velocità intercellulare è molto, molto più piccola della velocità intracellulare, allora è probabile che qualcosa non vada alla giunzione tra le cellule, forse a causa della fibrosi", ha spiegato.
I biologi potrebbero anche utilizzare questo dispositivo per studiare il trasporto del segnale tra diversi organelli in una cellula, ha aggiunto Gu. Un dispositivo come questo potrebbe essere utilizzato anche per testare nuovi farmaci e vedere come influenzano le cellule e i tessuti del cuore.
Il dispositivo sarebbe utile anche per studiare l'attività elettrica all'interno dei neuroni. Questa è una direzione che il team sta cercando di esplorare in seguito. In futuro, i ricercatori hanno in programma di utilizzare il loro dispositivo per registrare l'attività elettrica nel tessuto biologico reale in vivo. Xu immagina un dispositivo impiantabile che può essere posizionato sulla superficie di un cuore pulsante o sulla superficie della corteccia. Ma il dispositivo è ancora lontano da quella fase. Per arrivarci, i ricercatori hanno più lavoro da fare, inclusa la messa a punto del layout dei sensori FET, l'ottimizzazione delle dimensioni e dei materiali dell'array FET e l'integrazione di algoritmi di elaborazione del segnale assistiti dall'IA nel dispositivo. + Esplora ulteriormente
