Новые датчики отслеживают электрическую активность сердечных клеток, не повреждая их
Инженеры Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали новый инструмент, который отслеживает электрическую активность сердечных клеток. Он использует крошечные «всплывающие» датчики, которые проникают в клетки, не повреждая их. Устройство напрямую измеряет движение и скорость электрических сигналов, проходящих внутри одной сердечной клетки, а также между несколькими сердечными клетками. Кроме того, он впервые измерил сигналы внутри клеток трехмерных тканей.
«Всплывающие» датчики / Юэ Гу
Устройство поможет позволить ученым получить более подробные сведения о сердечных заболеваниях, а также аритмии (нарушение сердечного ритма), сердечных приступах и фиброзе (уплотнение или утолщение сердечной ткани).
«Изучение того, как электрический сигнал распространяется между различными клетками, важно для понимания механизма функционирования клеток и болезней», — отмечает автор разработки Юэ Гу. — «Неравномерность этого сигнала может быть, например, признаком аритмии. Если сигнал не может правильно распространяться от одной части сердца к другой, значит, какая-то часть сердца не может принять его, поэтому неспособна сокращаться».
Иллюстрация устройства, взаимодействующего с клетками сердца (cверху). Датчики могут отслеживать электрические сигналы одновременно в нескольких отдельных клетках (внизу слева) и на двух участках в одной клетке (внизу справа) / Nature Nanotechnology
С помощью устройства исследователи смогут получать изображения процессов в сердце с очень высоким разрешением. Это позволит врачам ставить более точные диагнозы.
Устройство состоит из трехмерного массива микроскопических полевых транзисторов, которые имеют форму заостренных наконечников. Они проникают сквозь клеточные мембраны, не повреждая их, и достаточно чувствительны, чтобы обнаруживать электрические сигналы — даже самые слабые — непосредственно внутри клеток. Чтобы оставаться внутри клеток в течение длительного времени, полевые транзисторы покрывают фосфолипидным бислоем.
Изображения устройства в его 2D-форме (слева) и в сложенной 3D-структуре (справа) / Nature Nanotechnology
Уникальность устройства состоит в том, что можно разместить два датчика на полевых транзисторах, которые проникают внутрь одной клетки и позволяют увидеть, в каком направлении распространяется сигнал и как быстро он идет.
Чтобы построить устройство, команда сначала изготовила полевые транзисторы в виде двухмерных форм, а затем прикрепила отдельные точки этих форм к предварительно растянутому листу эластомера. После этого исследователи ослабили лист эластомера, в результате чего устройство изогнулось, а полевые транзисторы сложились в трехмерную структуру.
Команда проверила датчик на клетках сердечной мышцы и на тканях сердца, которые были созданы в лаборатории. Эксперименты включали размещение клеточной культуры или ткани над устройством, а затем отслеживание электрических сигналов, которые улавливали датчики. Увидев, какие датчики первыми обнаружили сигнал, а затем измерив время, которое потребовалось другим для его обнаружения, команда смогла определить, в каком направлении прошел сигнал и какова его скорость.
Устройство испытывают на тканях сердца. Предоставлено: Юэ Гу
Оказалось, что сигналы внутри отдельных сердечных клеток проходят почти в пять раз быстрее, чем сигналы между несколькими сердечными клетками. Если между этими двумя скоростями существует очень большая разница, то есть, если межклеточная скорость намного меньше, чем внутриклеточная скорость, тогда, вероятно, присутствует фиброз, поясняют авторы разработки.
Биологи также могут использовать устройство для изучения передачи сигналов между различными органеллами в клетке, изучения электрической активности внутри нейронов, тестирования новых лекарств и наблюдения за тем, как они влияют на клетки и ткани сердца.
Работу «Трехмерные массивы транзисторов для внутри- и межклеточной записи» опубликовали в журнале Nature Nanotechnology.
Ранее физики из Калифорнийского университета в Беркли и Стэнфордского университета смогли записать электрическую активность бьющегося сердца при помощи листа графена. В отличие от электродов, которые измеряют напряжение только в одной точке, он измеряет электрическую активность всей исследуемой ткани.
