“Графеновата камера” изобразява електрическото поле на биещо сърце

Учени от Калифорнийския университет в Бъркли (UC Berkeley) демонстрираха поредната употреба на всеобхватния чудодеен материал графен, използвайки го като основа за усъвършенстван сензор, който може да изобразява електрически сигнали от живи клетки и тъкани в реално време. “Графеновата камера” на екипа е била използвана за записване на електрическа активност на биещо сърце в действие и би могла да отвори нови способности за усещане, когато става въпрос за мозъка.

Графенът е двуизмерен въглероден лист с дебелина само на един атом и неговият невероятен списък със свойства завладява въображението на учени от широк кръг изследователски области. Тези характеристики включват забележителна тънкост, висока топло- и електрическа проводимост и статут на най-здравия изкуствен материал.

Учените от UC Berkeley се обединиха с химици от Станфордския университет, за да проучат как материалът може да въведе нова порода усъвършенствани медицински сензори. Работата се основава на предишни изследвания, демонстриращи, че електрическото поле може да повлияе на начина, по който лист графен отразява или абсорбира светлината, нещо, което екипът изследва, като постави грубо 1 см2 от материала върху биещо сърце от пилешки ембрион.

„Когато клетките се свиват, те изстрелват потенциали за действие, които генерират малко електрическо поле извън клетката“, обяснява авторът на изследването Хале Балч. „Абсорбцията на графен точно под тази клетка е модифицирана, така че ще видим промяна в количеството светлина, което се връща от това положение върху голямата площ на графен.“

Сърце, извадено от пилешки ембрион на върха на устройството CAGE

Хале Балч / Алистър Макгуайър / Джейсън Хорнг

Техниката изискваше известно ощипване. Първоначално електрическото поле, генерирано от биещите се клетки на сърдечния мускул, беше твърде малко, за да направи забележима разлика в отражателната способност на графена. Екипът успя да го усили, като добави тънък вълновод отдолу, който работи с входна лазерна светлина, която се лъчи през призмата и отблъсква светлината от графена около 100 пъти, преди да излезе от устройството.

„Един от начините да мислим за това е, че колкото повече пъти светлината отскача от графена, докато се разпространява през тази малка кухина, толкова повече ефекти усеща светлината от реакцията на графена и това ни позволява да получим много, много висока чувствителност към електрически полета и напрежения до микроволта “, казва Балч.

Схема на "графенова камера," или сензор с усилено вълноводно графеново електрическо поле (CAGE)
Схема на “графеновата камера”, или сензор с усилено вълноводно графеново електрическо поле (CAGE)

Хале Балч / Алистър Макгуайър / Джейсън Хорнг

Екипът успя да използва тази “графенова камера”, за да изследва сърдечните клетки с размери само десет микрона в реално време и да създаде оптично изображение на слабите електрически полета, генерирани от тяхното биене. Докато електродите и химическите багрила могат да се използват за измерване на тази електрическа активност в клетките, те могат да го правят само на едно конкретно място, докато листът измерва напрежението в цяла област на тъканта. Екипът си представя, че съчетава тези сензорни техники, като записва електрическите сигнали на клетките, като същевременно изобразява боядисани тъкани.

Поредица от изображения на биещо сърце, всяко разделено с 5 милисекунди, с променящото се електрическо поле, представено като различни шарки на графеновия лист
Поредица от изображения на биещо сърце, всяко отделено от 5 милисекунди, с променящото се електрическо поле, представено като различни шарки на графеновия лист

Хале Балч / Алистър Макгуайър / Джейсън Хорнг

„Лекотата, с която можете да изобразите цял регион на проба, може да бъде особено полезна при изследването на невронни мрежи, които включват всякакви видове клетки“, казва първият автор на изследването Алистър Макгуайър от Станфордския университет. „Ако имате флуоресцентно маркирана клетъчна система, може да насочвате само към определен тип неврон. Нашата система би ви позволила да улавяте електрическа активност във всички неврони и техните поддържащи клетки с много висока цялост, което наистина би могло да повлияе на начина, по който хората правят тези проучвания на мрежово ниво. “

“Графеновата камера” или свързаният с усилено вълновод усилващо графеново електрическо поле (CAGE) сензор, както се нарича, може да се използва за тестване на кандидат-лекарства върху сърдечния мускул преди клиничните изпитвания, за да се види дали те предизвикват анормални промени. Това беше демонстрирано чрез прилагане на пилешкия ембрион с лекарство за инхибиране на мускулните протеини, което накара сърцето да спре да бие, като същевременно позволи на екипа да наблюдава, че няма ефект върху електрическото поле.

Устройството може също така да отвори нови възможности за директно откриване на мозъка. Днес решетките от електроди се използват за изследване на електрическата активност на мозъчните клетки, въпреки че могат да го направят само на няколкостотин места. Силните графенови листове могат да бъдат поставени на повърхността, за да получат по-широка картина на непрекъснатата електрическа активност.

„Едно от нещата, които са невероятни за мен в този проект, е, че електрическите полета посредничат химични взаимодействия, посредничат биофизични взаимодействия – те посредничат за всякакви процеси в природния свят – но ние никога не ги измерваме. Измерваме тока и измерваме напрежението “, казва Балч. „Възможността за реално изобразяване на електрически полета ви дава поглед върху модалността, в която преди това не сте имали много представа.“

Изследването е публикувано в списанието Нано писма, докато видеото по-долу показва поредица от изображения, генерирани от устройството, изобразяващи единичен ритъм на сърцето на пилешкия ембрион.

Електрически сигнали на биещо сърце

Източник: Калифорнийски университет, Бъркли

.

Публикациите се превеждат автоматично с google translate