Los científicos del Área de la Bahía han capturado la actividad eléctrica en tiempo real de un corazón que late, utilizando una hoja de grafeno para registrar una imagen óptica, casi como una cámara de video, de los débiles campos eléctricos generados por el disparo rítmico del corazón.células musculares.
La cámara de grafeno representa un nuevo tipo de sensor útil para estudiar células y tejidos que generan voltajes eléctricos, incluidos grupos de neuronas o células del músculo cardíaco. Hasta la fecha, se han utilizado electrodos o tintes químicos para medir la descarga eléctrica en estas células. PeroLos electrodos y tintes miden el voltaje en un solo punto; una hoja de grafeno mide el voltaje continuamente sobre todo el tejido que toca.
El desarrollo, publicado en línea la semana pasada en la revista Nano letras , proviene de una colaboración entre dos equipos de físicos cuánticos de la Universidad de California, Berkeley, y químicos físicos de la Universidad de Stanford.
"Debido a que estamos obteniendo imágenes de todas las células simultáneamente en una cámara, no tenemos que escanear y no tenemos solo una medición puntual. Podemos obtener imágenes de toda la red de células al mismo tiempo", dijo Halleh Balch., uno de los tres primeros autores del artículo y recientemente doctor en Filosofía en el Departamento de Física de UC Berkeley.
Si bien el sensor de grafeno funciona sin tener que etiquetar las células con tintes o trazadores, se puede combinar fácilmente con microscopía estándar para obtener imágenes de tejido nervioso o muscular marcado con fluorescencia mientras registra simultáneamente las señales eléctricas que las células usan para comunicarse.
"La facilidad con la que puede obtener imágenes de una región completa de una muestra podría ser especialmente útil en el estudio de redes neuronales que tienen todo tipo de tipos de células involucradas", dijo otro primer autor del estudio, Allister McGuire, quien recientemente recibióun Ph.D. de Stanford y. "Si tiene un sistema celular marcado con fluorescencia, es posible que solo esté apuntando a un cierto tipo de neurona. Nuestro sistema le permitiría capturar la actividad eléctrica en todas las neuronas y sus células de soporte con una integridad muy alta, que realmente podría afectar la forma en que las personas realizan estos estudios a nivel de red "
El grafeno es una hoja de átomos de carbono de un átomo de espesor dispuestas en un patrón hexagonal bidimensional que recuerda al panal. La estructura 2D ha captado el interés de los físicos durante varias décadas debido a sus propiedades eléctricas únicas y robustez y su interesante óptica ypropiedades optoelectrónicas.
"Este es quizás el primer ejemplo en el que se puede usar una lectura óptica de materiales 2D para medir campos eléctricos biológicos", dijo el autor principal Feng Wang, profesor de física de UC Berkeley.lectura eléctrica antes, pero esto es único en el sentido de que funciona con microscopía para que pueda realizar una detección en paralelo ".
El equipo llama a la herramienta un sensor de campo eléctrico de grafeno amplificado con guía de ondas acoplado críticamente, o sensor CAGE.
"Este estudio es solo preliminar; queremos mostrarles a los biólogos que existe una herramienta de este tipo que puede usar y que puede obtener excelentes imágenes. Tiene una resolución de tiempo rápida y una gran sensibilidad de campo eléctrico", dijo el tercero primeroautor, Jason Horng, un doctorado de UC Berkeley que ahora es un becario postdoctoral en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología. "En este momento, es solo un prototipo, pero en el futuro, creo que podemos mejorar el dispositivo. "
el grafeno es sensible a los campos eléctricos
Hace diez años, Wang descubrió que un campo eléctrico afecta la forma en que el grafeno refleja o absorbe la luz. Balch y Horng aprovecharon este descubrimiento para diseñar la cámara de grafeno. Obtuvieron una hoja de grafeno de aproximadamente 1 centímetro en un lado producido por la deposición de vapor químico enel laboratorio del profesor de física de UC Berkeley Michael Crommie y colocó en él un corazón vivo de un embrión de pollo, recién extraído de un óvulo fertilizado. Estos experimentos se realizaron en el laboratorio de Stanford de Bianxiao Cui, que desarrolla herramientas a nanoescala para estudiar la señalización eléctrica en las neuronasy células cardíacas.
El equipo demostró que cuando el grafeno se sintonizaba correctamente, las señales eléctricas que fluían a lo largo de la superficie del corazón durante un latido eran suficientes para cambiar la reflectancia de la hoja de grafeno.
"Cuando las células se contraen, disparan potenciales de acción que generan un pequeño campo eléctrico fuera de la célula", dijo Balch. "La absorción de grafeno justo debajo de esa célula se modifica, por lo que veremos un cambio en la cantidad de luz queregresa de esa posición en la gran área de grafeno ".
Sin embargo, en estudios iniciales, Horng descubrió que el cambio en la reflectancia era demasiado pequeño para detectarlo fácilmente. Un campo eléctrico reduce la reflectancia del grafeno en un 2% como máximo; el efecto fue mucho menor debido a los cambios en el campo eléctrico cuando el corazónlas células musculares dispararon un potencial de acción.
Juntos, Balch, Horng y Wang encontraron una manera de amplificar esta señal agregando una guía de ondas delgada debajo del grafeno, lo que obligó a la luz láser reflejada a rebotar internamente unas 100 veces antes de escapar. Esto hizo que el cambio en la reflectancia fuera detectable por un video óptico normalcámara.
"Una forma de pensar al respecto es que cuantas más veces la luz rebota en el grafeno a medida que se propaga a través de esta pequeña cavidad, más efectos siente la luz de la respuesta del grafeno, y eso nos permite obtener una sensibilidad muy, muy alta paracampos eléctricos y voltajes hasta microvoltios ", dijo Balch.
El aumento de la amplificación necesariamente reduce la resolución de la imagen, pero a 10 micrones, es más que suficiente para estudiar las células cardíacas que tienen varias decenas de micrones de ancho, dijo.
Otra aplicación, dijo McGuire, es probar el efecto de los candidatos a fármacos en el músculo cardíaco antes de que estos fármacos entren en ensayos clínicos para ver si, por ejemplo, inducen una arritmia no deseada. Para demostrar esto, él y sus colegas observaron los latidoscorazón de pollo con CAGE y un microscopio óptico mientras lo infundían con un medicamento, blebbistatin, que inhibe la proteína muscular miosina. Observaron que el corazón dejaba de latir, pero CAGE mostró que las señales eléctricas no se vieron afectadas.
Debido a que las láminas de grafeno son mecánicamente resistentes, también podrían colocarse directamente en la superficie del cerebro para obtener una medida continua de la actividad eléctrica, por ejemplo, para monitorear la activación de las neuronas en el cerebro de las personas con epilepsia o para estudiar el cerebro fundamentalactividad.Los conjuntos de electrodos de hoy miden la actividad en unos pocos cientos de puntos, no continuamente sobre la superficie del cerebro.
"Una de las cosas que me sorprende de este proyecto es que los campos eléctricos median las interacciones químicas, median las interacciones biofísicas, median todo tipo de procesos en el mundo natural, pero nunca los medimos. Medimos la corriente,y medimos el voltaje ", dijo Balch." La capacidad de obtener imágenes de campos eléctricos te da una idea de una modalidad de la que antes tenías poco conocimiento ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Berkeley . Original escrito por Robert Sanders. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
Referencia de la revista :
cite esta página :