Ingenieurs van de Universiteit van Californië in San Diego hebben een krachtig nieuw hulpmiddel ontwikkeld dat de elektrische activiteit in hartcellen bewaakt, met behulp van kleine "pop-up" -sensoren die in cellen prikken zonder ze te beschadigen. Het apparaat meet direct de beweging en snelheid van elektrische signalen die binnen een enkele hartcel reizen - een primeur - evenals tussen meerdere hartcellen. Het is ook de eerste die deze signalen meet in de cellen van 3D-weefsels.

Het apparaat, gepubliceerd op 23 december in het tijdschrift Nature Nanotechnology , zouden wetenschappers in staat kunnen stellen meer gedetailleerd inzicht te krijgen in hartaandoeningen en ziekten zoals aritmie (abnormaal hartritme), hartaanval en hartfibrose (verstijving of verdikking van hartweefsel).

"Het bestuderen van hoe een elektrisch signaal zich tussen verschillende cellen voortplant, is belangrijk om het mechanisme van celfunctie en ziekte te begrijpen", zegt eerste auteur Yue Gu, die onlangs zijn Ph.D. in materiaalkunde en techniek aan UC San Diego. "Onregelmatigheden in dit signaal kunnen bijvoorbeeld een teken zijn van aritmie. Als het signaal zich niet correct kan voortplanten van het ene deel van het hart naar het andere, kan een deel van het hart het signaal niet ontvangen en kan het dus niet samentrekken."

"Met dit apparaat kunnen we inzoomen tot op cellulair niveau en krijgen we een beeld met zeer hoge resolutie van wat er in het hart gebeurt; we kunnen zien welke cellen niet goed werken, welke delen niet gesynchroniseerd zijn met de andere, en lokaliseren waar het signaal is zwak", zegt senior auteur Sheng Xu, een professor in nano-engineering aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering. "Deze informatie kan worden gebruikt om clinici te informeren en hen in staat te stellen betere diagnoses te stellen."

Het apparaat bestaat uit een 3D-array van microscopische veldeffecttransistoren, of FET's, die de vorm hebben van scherpe puntige uiteinden. Deze kleine FET's dringen door celmembranen zonder ze te beschadigen en zijn gevoelig genoeg om elektrische signalen - zelfs zeer zwakke - direct in de cellen te detecteren. Om te voorkomen dat ze als een vreemde substantie worden gezien en gedurende lange tijd in de cellen blijven, zijn de FET's gecoat in een fosfolipide dubbellaag. De FET's kunnen signalen van meerdere cellen tegelijkertijd bewaken. Ze kunnen zelfs signalen volgen op twee verschillende locaties in dezelfde cel.

"Dat maakt dit apparaat uniek", zegt Gu. "Het kan twee FET-sensoren in één cel laten doordringen - met minimale invasiviteit - en ons in staat stellen te zien op welke manier een signaal zich voortplant en hoe snel het gaat. Deze gedetailleerde informatie over signaaltransport binnen een enkele cel is tot nu toe onbekend."

Om het apparaat te bouwen, heeft het team de FET's eerst als 2D-vormen gefabriceerd en vervolgens geselecteerde plekken van deze vormen op een voorgerekt elastomeervel gelijmd. De onderzoekers maakten vervolgens het elastomeervel los, waardoor het apparaat knikte en de FET's vouwden tot een 3D-structuur zodat ze in cellen kunnen doordringen.

"Het is als een pop-upboek," zei Gu. "Het begint als een 2D-structuur en met drukkracht komt het op sommige delen omhoog en wordt het een 3D-structuur."

Het team testte het apparaat op hartspiercelculturen en op hartweefsels die in het laboratorium waren ontwikkeld. De experimenten omvatten het plaatsen van de celcultuur of het weefsel op het apparaat en vervolgens het bewaken van de elektrische signalen die de FET-sensoren oppikten. Door te kijken welke sensoren het eerst een signaal detecteerden en vervolgens te meten hoe lang het duurde voordat andere sensoren het signaal detecteerden, kon het team bepalen welke kant het signaal op ging en wat de snelheid was. De onderzoekers waren in staat om dit te doen voor signalen die tussen naburige cellen reizen, en voor het eerst voor signalen die binnen een enkele hartspiercel reizen.

Wat dit nog spannender maakt, zei Xu, is dat dit de eerste keer is dat wetenschappers intracellulaire signalen in 3D-weefselconstructies kunnen meten. "Tot nu toe zijn alleen extracellulaire signalen, dat wil zeggen signalen die zich buiten het celmembraan bevinden, gemeten in dit soort weefsels. Nu kunnen we daadwerkelijk signalen opvangen in de cellen die zijn ingebed in het 3D-weefsel of organoïde," hij zei.

De experimenten van het team leidden tot een interessante observatie:signalen in individuele hartcellen reizen bijna vijf keer sneller dan signalen tussen meerdere hartcellen. Het bestuderen van dit soort details kan inzichten opleveren over hartafwijkingen op cellulair niveau, zei Gu. "Stel dat je de signaalsnelheid in één cel meet, en de signaalsnelheid tussen twee cellen. Als er een heel groot verschil is tussen deze twee snelheden - dat wil zeggen, als de intercellulaire snelheid veel, veel kleiner is dan de intracellulaire snelheid - dan het is waarschijnlijk dat er iets mis is op de kruising tussen de cellen, mogelijk als gevolg van fibrose, "legde hij uit.

Biologen zouden dit apparaat ook kunnen gebruiken om signaaltransport tussen verschillende organellen in een cel te bestuderen, voegde Gu eraan toe. Een dergelijk apparaat zou ook kunnen worden gebruikt om nieuwe medicijnen te testen en te zien hoe deze hartcellen en weefsels beïnvloeden.

Het apparaat zou ook nuttig zijn voor het bestuderen van elektrische activiteit in neuronen. Dit is een richting die het team nu wil verkennen. Langs de lijn zijn de onderzoekers van plan om hun apparaat te gebruiken om elektrische activiteit in echt biologisch weefsel in vivo vast te leggen. Xu stelt zich een implanteerbaar apparaat voor dat op het oppervlak van een kloppend hart of op het oppervlak van de cortex kan worden geplaatst. Maar het apparaat is nog ver van dat stadium. Om daar te komen, hebben de onderzoekers meer werk te doen, waaronder het verfijnen van de lay-out van de FET-sensoren, het optimaliseren van de grootte en materialen van de FET-array en het integreren van AI-ondersteunde signaalverwerkingsalgoritmen in het apparaat. + Verder verkennen

Elektrische signalen tussen individuele hartcellen regelen de hartslag