Графеновая «камера» фиксирует электрическую активность бьющегося сердца в реальном времени
Ученые из области залива Сан-Франциско зафиксировали электрическую активность бьющегося сердца в реальном времени, используя лист графена для записи оптического изображения — почти как видеокамера — слабых электрических полей, генерируемых ритмичной активностью мышечных клеток сердца.
Графеновая камера представляет собой новый тип сенсора для изучения клеток и тканей, генерирующих электрические потенциалы, включая группы нейронов или кардиомиоцитов. До сих пор для измерения электрической активности в таких клетках использовались электроды или химические красители. Но электроды и красители измеряют потенциал только в одной точке; графеновый лист измеряет потенциал непрерывно по всей ткани, с которой контактирует.
Разработка, опубликованная на прошлой неделе в журнале Nano Letters, стала результатом сотрудничества двух групп квантовых физиков из Калифорнийского университета в Беркли и физических химиков из Стэнфордского университета.
«Поскольку мы одновременно визуализируем все клетки на камеру, нам не нужно сканировать, и у нас нет точечного измерения. Мы можем визуализировать всю сеть клеток одновременно», — сказала Халле Балч, один из трех первых авторов статьи.
Хотя графеновый сенсор работает без необходимости маркировки клеток красителями, его можно легко комбинировать со стандартной микроскопией для одновременной визуализации флуоресцентно меченой нервной или мышечной ткани и записи электрических сигналов, которые клетки используют для коммуникации.
Графен — это одноатомный слой атомов углерода, расположенных в двумерной гексагональной структуре. Его уникальные электрические и оптические свойства десятилетиями интересовали физиков.
«Это, возможно, первый пример, где можно использовать оптическое считывание с 2D-материалов для измерения биологических электрических полей», — сказал старший автор Фэн Ван, профессор физики в UC Berkeley.
Команда называет инструмент критически связанным волноводно-усиленным графеновым сенсором электрического поля (CAGE sensor).
Графен чувствителен к электрическим полям
Десять лет назад Ван обнаружил, что электрическое поле влияет на то, как графен отражает или поглощает свет. Балч и Хорнг использовали это открытие при создании графеновой камеры. Они поместили на лист графена размером около 1 см² живое сердце эмбриона цыпленка.
Команда показала, что при правильной настройке графена электрические сигналы, протекающие по поверхности сердца во время сокращения, были достаточны для изменения отражательной способности графенового листа.
«Когда клетки сокращаются, они генерируют потенциалы действия, которые создают небольшое электрическое поле вне клетки», — пояснила Балч. «Поглощение графена прямо под этой клеткой изменяется, поэтому мы увидим изменение количества света, возвращающегося с этой позиции».
В первоначальных исследованиях изменение отражательной способности было слишком мало для легкого обнаружения. Электрическое поле уменьшает отражательную способность графена максимум на 2%.
Вместе Балч, Хорнг и Ван нашли способ усилить сигнал, добавив тонкий волновод под графен, заставляя отраженный лазерный свет совершить около 100 внутренних отражений. Это сделало изменение отражательной способности обнаруживаемым обычной оптической видеокамерой.
Усиление неизбежно снижает разрешение изображения, но при 10 микронах его более чем достаточно для изучения сердечных клеток размером в несколько десятков микрон.
Еще одно применение — тестирование влияния кандидатов в лекарства на сердечную мышцу до клинических испытаний. Чтобы продемонстрировать это, исследователи наблюдали за бьющимся сердцем цыпленка с помощью CAGE и оптического микроскопа, вводя препарат блеббистатин, который ингибирует мышечный белок миозин. Они наблюдали остановку сердца, но CAGE показал, что электрические сигналы не пострадали.
Поскольку графеновые листы механически прочны, их можно размещать непосредственно на поверхности мозга для непрерывного измерения электрической активности — например, для мониторинга активности нейронов при эпилепсии.
«Одна из удивительных вещей в этом проекте — то, что электрические поля опосредуют химические взаимодействия, биофизические взаимодействия, всевозможные процессы в природном мире, но мы их никогда не измеряем. Мы измеряем ток и напряжение», — сказала Балч. «Возможность фактически визуализировать электрические поля дает вам взгляд на модальность, о которой у вас ранее было мало представления».