Wetenschappers uit de Bay Area hebben de realtime elektrische activiteit van een kloppend hart vastgelegd, een vel grafeen gebruiken om een ​​optisch beeld op te nemen - bijna als een videocamera - van de zwakke elektrische velden die worden gegenereerd door het ritmische afvuren van de hartspiercellen.

De grafeencamera vertegenwoordigt een nieuw type sensor dat nuttig is voor het bestuderen van cellen en weefsels die elektrische spanningen genereren, inclusief groepen neuronen of hartspiercellen. Daten, elektroden of chemische kleurstoffen zijn gebruikt om het elektrisch vuren in deze cellen te meten. Maar elektroden en kleurstoffen meten de spanning slechts op één punt; een grafeenvel meet continu de spanning over al het weefsel dat het aanraakt.

De ontwikkeling, vorige week online gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters , komt voort uit een samenwerking tussen twee teams van kwantumfysici aan de Universiteit van Californië, Berkeley, en fysisch chemici aan de Stanford University.

"Omdat we alle cellen tegelijkertijd op een camera afbeelden, we hoeven niet te scannen, en we hebben niet alleen een puntmeting. We kunnen het hele netwerk van cellen tegelijkertijd in beeld brengen, " zei Halleh Balch, een van de drie eerste auteurs van het papier en een recente Ph.D. ontvanger in UC Berkeley's Department of Physics.

Terwijl de grafeensensor werkt zonder cellen te labelen met kleurstoffen of tracers, het kan gemakkelijk worden gecombineerd met standaardmicroscopie om fluorescent gelabeld zenuw- of spierweefsel in beeld te brengen en tegelijkertijd de elektrische signalen op te nemen die de cellen gebruiken om te communiceren.

"Het gemak waarmee je een hele regio van een monster in beeld kunt brengen, zou vooral nuttig kunnen zijn bij de studie van neurale netwerken waarbij allerlei soorten celtypes betrokken zijn, " zei een andere eerste auteur van de studie, Allister McGuire, die onlangs een Ph.D. van Stanford. "Als je een fluorescent gelabeld celsysteem hebt, je richt je misschien alleen op een bepaald type neuron. Ons systeem zou u in staat stellen om elektrische activiteit in alle neuronen en hun ondersteunende cellen vast te leggen met een zeer hoge integriteit, die echt van invloed kunnen zijn op de manier waarop mensen deze onderzoeken op netwerkniveau doen."

Grafeen is een één-atoom dik vel koolstofatomen gerangschikt in een tweedimensionaal hexagonaal patroon dat doet denken aan honingraat. De 2D-structuur trekt al tientallen jaren de aandacht van natuurkundigen vanwege zijn unieke elektrische eigenschappen en robuustheid en zijn interessante optische en opto-elektronische eigenschappen.

"Dit is misschien wel het eerste voorbeeld waarbij je een optische uitlezing van 2D-materialen kunt gebruiken om biologische elektrische velden te meten, " zei senior auteur Feng Wang, UC Berkeley hoogleraar natuurkunde. "Mensen hebben eerder 2D-materialen gebruikt om te voelen met pure elektrische uitlezing, maar dit is uniek omdat het werkt met microscopie, zodat je parallelle detectie kunt doen."

Het team noemt de tool een kritisch gekoppelde golfgeleider-versterkte grafeen elektrische veldsensor, of CAGE-sensor.

"Deze studie is slechts een voorlopige; we willen biologen laten zien dat er zo'n hulpmiddel is dat je kunt gebruiken, en je kunt geweldige foto's maken. Het heeft een snelle tijdresolutie en een grote gevoeligheid voor elektrische velden, " zei de derde eerste auteur, Jason Hoorn, een UC Berkeley Ph.D. ontvanger die nu een postdoctoraal onderzoeker is bij het National Institute of Standards and Technology. "Direct, het is maar een prototype, maar in de toekomst Ik denk dat we het apparaat kunnen verbeteren."

Grafeen is gevoelig voor elektrische velden

Tien jaar geleden, Wang ontdekte dat een elektrisch veld invloed heeft op hoe grafeen licht reflecteert of absorbeert. Balch en Horng maakten gebruik van deze ontdekking bij het ontwerpen van de grafeencamera. Ze verkregen een vel grafeen van ongeveer 1 centimeter aan een zijde geproduceerd door chemische dampafzetting in het laboratorium van UC Berkeley natuurkundeprofessor Michael Crommie en plaatsten daarop een levend hart van een kippenembryo, vers geëxtraheerd uit een bevruchte eicel. Deze experimenten werden uitgevoerd in het Stanford-lab van Bianxiao Cui, die instrumenten op nanoschaal ontwikkelt om elektrische signalen in neuronen en hartcellen te bestuderen.

Het team toonde aan dat wanneer het grafeen goed was afgesteld, de elektrische signalen die tijdens een slag langs het oppervlak van het hart stroomden, waren voldoende om de reflectie van de grafeenplaat te veranderen.

"Als cellen samentrekken, ze vuren actiepotentialen af ​​die een klein elektrisch veld genereren buiten de cel, "Zei Balch. "De opname van grafeen onder die cel is gewijzigd, dus we zullen een verandering zien in de hoeveelheid licht die van die positie terugkomt op het grote oppervlak van grafeen."

In de eerste onderzoeken echter, Horng ontdekte dat de verandering in reflectie te klein was om gemakkelijk te detecteren. Een elektrisch veld vermindert de reflectie van grafeen met maximaal 2%; het effect was veel minder van veranderingen in het elektrische veld wanneer de hartspiercellen een actiepotentiaal afvuurden.

Samen, Balch, Horng en Wang vonden een manier om dit signaal te versterken door een dunne golfgeleider onder grafeen toe te voegen, waardoor het gereflecteerde laserlicht ongeveer 100 keer intern wordt teruggekaatst voordat het ontsnapt. Dit maakte de verandering in reflectie detecteerbaar door een normale optische videocamera.

"Een manier om erover na te denken is dat hoe vaker het licht van grafeen weerkaatst terwijl het zich door deze kleine holte voortplant, hoe meer effecten het licht voelt door de reactie van grafeen, en dat stelt ons in staat om zeer, zeer hoge gevoeligheid voor elektrische velden en spanningen tot microvolt, ' zei Balch.

De verhoogde versterking verlaagt noodzakelijkerwijs de resolutie van het beeld, maar bij 10 micron, het is meer dan genoeg om hartcellen te bestuderen die enkele tientallen microns groot zijn, ze zei.

Een andere toepassing, McGuire zei, is om het effect van kandidaat-geneesmiddelen op de hartspier te testen voordat deze geneesmiddelen in klinische onderzoeken gaan om te zien of, bijvoorbeeld, ze veroorzaken een ongewenste aritmie. Om dit aan te tonen, hij en zijn collega's observeerden het kloppende kippenhart met CAGE en een optische microscoop terwijl ze het met een medicijn infuseerden, blebbistatine, die het spiereiwit myosine remt. Ze zagen dat het hart stopte met kloppen, maar CAGE toonde aan dat de elektrische signalen onaangetast waren.

Omdat grafeenplaten mechanisch taai zijn, ze kunnen ook direct op het oppervlak van de hersenen worden geplaatst om een ​​continue meting van elektrische activiteit te krijgen, bijvoorbeeld, om het afvuren van neuronen in de hersenen van mensen met epilepsie te volgen of om fundamentele hersenactiviteit te bestuderen. De huidige elektrode-arrays meten de activiteit op een paar honderd punten, niet continu over het hersenoppervlak.

"Een van de dingen die mij verbazen aan dit project is dat elektrische velden chemische interacties bemiddelen, bemiddelen biofysische interacties - ze bemiddelen allerlei processen in de natuurlijke wereld - maar we meten ze nooit. We meten stroom, en we meten spanning, "Zei Balch. "Het vermogen om elektrische velden daadwerkelijk in beeld te brengen, geeft je een blik op een modaliteit waar je voorheen weinig inzicht in had."