Onderzoekers van EPFL en de Universiteit van Bern hebben een baanbrekende methode ontwikkeld om de elektrische signalen van hartspiercellen te bestuderen. De technologie heeft tal van potentiële toepassingen in fundamenteel en toegepast onderzoek, zoals het verbeteren van het zoeken naar mechanismen die ten grondslag liggen aan hartritmestoornissen.

Cellen zijn de kleinste levende eenheden in het menselijk lichaam. Prikkelbare cellen zoals neuronen en hartspiercellen - cardiomyocyten - gebruiken elektrische signalen, zogenaamde actiepotentialen, om met elkaar te communiceren. Wetenschappers bestuderen deze signalen die ten grondslag liggen aan de normale hersen- en hartfunctie met behulp van elektroden die buiten of in het celmembraan zijn geplaatst. methoden die bekend staan ​​als extracellulaire en intracellulaire opname.

Onderzoekers van EPFL's Microsystems Laboratory 4 (LMIS4), onder leiding van Philippe Renaud, en het Laboratorium voor Cellulaire Optica II van de Universiteit van Bern, onder leiding van Stephan Rohr, hebben samengewerkt om een ​​nieuwe micro-elektrode te ontwikkelen die zonder hulp het celmembraan binnendringt en, wanneer geplaatst in een array, stelt wetenschappers in staat om elektrische activiteit te volgen terwijl deze zich door weefsels verspreidt. De bevindingen van de onderzoekers zijn gepubliceerd in Nano-letters .

Geavanceerde technologie

Hoewel de registratiesystemen van cellulaire elektrische activiteit in de loop der jaren aanzienlijk zijn geëvolueerd, ze hebben nog steeds beperkingen. Niet-invasieve extracellulaire multi-elektrode-arrays die gebruikmaken van elektroden die buiten het membraan zijn geplaatst, rapporteren signalen die slechts indirect verband houden met de actiepotentialen. Ze vertellen wetenschappers weinig over de werkelijke vorm van het actiepotentiaal - een voorbijgaande stijging van het membraanpotentiaal van de cel - waardoor het hart gaat kloppen, bijvoorbeeld.

Sinds cellulaire actiepotentialen zeven decennia geleden voor het eerst werden gemeten door Silvio Weidmann van de afdeling Fysiologie van de Universiteit van Bern, wetenschappers hebben deze signalen gemeten door intracellulaire toegang te krijgen met micro-elektroden. Deze elektroden kunnen in de cellen worden gespietst, of ze kunnen op het celmembraan worden geplaatst, waarna het membraan onder de mond van de elektrode wordt geopend. Dit kan mechanisch of door elektroporatie worden gedaan - het aanbrengen van hoogspanningspulsen op de elektrode. De laatste techniek werd recentelijk gebruikt om intracellulaire toegang te krijgen door nanogestructureerde elektroden in de vorm van microscopisch kleine paddenstoelen, bijvoorbeeld. Echter, deze methode is niet ideaal omdat het grensvlak tussen het celmembraan en de nanostructuur onstabiel is, waardoor wetenschappers slechts een korte tijdspanne hebben - meestal een paar seconden of hoogstens minuten - om actiepotentialen van cellen vast te leggen.

Geïnspireerd door de natuur

Het team van EPFL en de Universiteit van Bern gebruikten de beste eigenschappen van bestaande technologieën en bedachten een ingenieus vulkaanvormig ontwerp om dit probleem te omzeilen. "Door de geometrie en materialen te herwerken, we hebben een elektrode ontwikkeld die zonder hulp het celmembraan binnendringt, waardoor de noodzaak voor elektroporatie wordt geëlimineerd, " zegt Benoît Desbiolles, een doctoraatsassistent bij LMIS4 en hoofdauteur van de publicatie. "We putten ook uit eerder onderzoek van ons laboratorium, wat aantoont dat het nabootsen van het celmembraan de cel-elektrode-interface stabiliseert."

Het nieuwe type elektrode, bedacht als een nanovulkaan, bestaat uit drie delen. De eerste is de rand van de krater. Het bestaat uit een gouden ring van dezelfde grootte en bekleed met dezelfde biomoleculen als het celmembraan zelf. In de krater zit een platina-elektrode die wordt gebruikt voor het oppikken van de elektrische signalen. De buitenzijde is omgeven door isolerend glas. "Als je eenmaal een cel op de structuur hebt geplaatst en het begint te verzakken, de scherpe randen doorboren het membraan en de elektrode dringt de cel binnen, " legt Desbiolles uit. "In plaats van te hervormen, het membraan verankert zich aan de gouden ring, het creëren van de ideale omstandigheden om de elektrische activiteit van de cel vast te leggen."

Veelbelovende toepassingen

Met behulp van nanovulkaanarrays, wetenschappers kunnen actiepotentialen op meerdere locaties in een celcultuur tegelijk meten, biedt een schat aan inzichten in de interactie van hartspiercellen in de ruimte.

"Voor elektrofysiologen zoals ik, deze technologie is iets van een droom die uitkomt, " zegt Stephan Rohr, die co-auteur was van de publicatie. "Naast het meten van de actiepotentiaal van individuele cellen, we kunnen nu bestuderen hoe zich voortplantende actiepotentialen van vorm veranderen afhankelijk van de weefselstructuur en pathologische omstandigheden. Die kennis is van vitaal belang voor een dieper begrip van de mechanismen die leiden tot mogelijk fatale hartritmestoornissen."

Nanovulkanen hebben potentiële toepassingen die veel verder gaan dan cardiale elektrofysiologie. "Naast het baanbrekende ontwerp, onze elektrode is ook zeer eenvoudig te maken, ", legt Desbiolles uit. Er worden momenteel tests uitgevoerd om te zien of het even goed werkt met neuronen en andere prikkelbare celtypen. Volgens de jonge onderzoeker het ontwerp is veelbelovend voor andere wetenschappelijke disciplines, ook:"Nanovulkanen openen een deur naar de cel. Je zou binnenin elektrochemie kunnen uitvoeren." De technologie kan ook aantrekkelijk zijn voor de farmaceutische industrie, waardoor wetenschappers kunnen testen hoe cellen reageren op medicijnen en, op lange termijn, gerichte therapieën ontwikkelen.