Achter elke hartslag en hersensignaal zit een enorm orkest van elektrische activiteit. Hoewel de huidige observatietechnieken voor elektrofysiologie meestal beperkt zijn tot extracellulaire opnames, een vooruitstrevende groep onderzoekers van de Carnegie Mellon University en het Istituto Italiano di Tecnologia heeft een flexibele, goedkoop, en biocompatibel platform voor het mogelijk maken van rijkere intracellulaire opnames.

Het unieke "over de oceaan"-partnerschap van de groep begon twee jaar geleden op de Bioelectronics Winter School (BioEl) met plengoffers en een schets van een servet. Het is geëvolueerd tot onderzoek gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , detaillering van een nieuw micro-elektrodeplatform dat gebruikmaakt van driedimensionaal fuzzy grafeen (3DFG) om rijkere intracellulaire opnames van cardiale actiepotentialen met een hoge signaal-ruisverhouding mogelijk te maken. Deze vooruitgang zou een revolutie teweeg kunnen brengen in het lopende onderzoek met betrekking tot neurodegeneratieve en hartziekten, evenals de ontwikkeling van nieuwe therapeutische strategieën.

Een belangrijke leider in dit werk, Tzahi Cohen-Karni, universitair hoofddocent biomedische technologie en materiaalkunde en techniek, heeft de eigenschappen bestudeerd, Effecten, en mogelijke toepassingen van grafeen gedurende zijn hele carrière. Nutsvoorzieningen, hij zet een gezamenlijke stap in een andere richting, met behulp van een verticaal gegroeide oriëntatie van het buitengewone op koolstof gebaseerde materiaal (3DFG) om toegang te krijgen tot het intracellulaire compartiment van de cel en intracellulaire elektrische activiteit vast te leggen.

Door zijn unieke elektrische eigenschappen, grafeen onderscheidt zich als een veelbelovende kandidaat voor op koolstof gebaseerde biosensing-apparaten. Recente studies hebben de succesvolle inzet van grafeenbiosensoren aangetoond voor het bewaken van de elektrische activiteit van cardiomyocyten, of hartcellen, buiten de cellen, of met andere woorden, extracellulaire opnames van actiepotentialen. Intracellulaire opnames, anderzijds, zijn beperkt gebleven vanwege ineffectieve tools ... tot nu toe.

"Ons doel is om het hele orkest op te nemen - om alle ionische stromen te zien die het celmembraan doorkruisen - niet alleen de subset van het orkest getoond door extracellulaire opnames, " legt Cohen-Karni uit. "Het toevoegen van de dynamische dimensie van intracellulaire opnames is van fundamenteel belang voor het screenen van geneesmiddelen en toxiciteitstests, maar dit is slechts een belangrijk aspect van ons werk."

"De rest is de technologische vooruitgang, " Cohen-Karni gaat verder. "3DFG is goedkoop, flexibel en een volledig koolstofplatform; geen metalen in het spel. We kunnen elektroden ter grootte van een wafel van dit materiaal genereren om intracellulaire opnames op meerdere locaties in een kwestie van seconden mogelijk te maken. wat een aanzienlijke verbetering is ten opzichte van een bestaande tool, als een patchklem, dat vraagt ​​uren aan tijd en expertise."

Dus, hoe werkt het? Gebruikmakend van een techniek ontwikkeld door Michele Dipalo en Francesco De Angelis, onderzoekers van Istituto Italiano di Tecnologia, een ultrasnelle laser wordt gebruikt om toegang te krijgen tot het celmembraan. Door korte laserpulsen op de 3DFG-elektrode te laten schijnen, een gebied van het celmembraan wordt op een bepaalde manier poreus, waardoor elektrische activiteit in de cel kan worden geregistreerd. Vervolgens, de cardiomyocyten worden gekweekt om interacties tussen de cellen verder te onderzoeken.

interessant, 3DFG is zwart en absorbeert het meeste licht, wat resulteert in unieke optische eigenschappen. Gecombineerd met zijn schuimachtige structuur en enorme blootgestelde oppervlakte, 3DFG heeft veel gewenste eigenschappen die nodig zijn om kleine biosensoren te maken.

"We hebben een slimmere elektrode ontwikkeld; een elektrode waarmee we beter toegang hebben, " benadrukt Cohen-Karni. "Het grootste voordeel van mijn kant is dat we toegang hebben tot deze signaalrijkdom, processen van intracellulair belang kunnen onderzoeken. Het hebben van een dergelijk instrument zal een revolutie teweegbrengen in de manier waarop we de effecten van therapieën op terminale organen kunnen onderzoeken. zoals het hart."

Naarmate dit werk vordert, het team is van plan zijn lessen toe te passen in grootschalige cel/weefselinterfaces, om weefselontwikkeling en toxiciteit van chemische verbindingen beter te begrijpen (bijv. geneesmiddeltoxiciteit).