Detrás de cada latido del corazón y cada señal cerebral hay una enorme orquesta de actividad eléctrica. Si bien las técnicas actuales de observación de electrofisiología se han limitado principalmente a registros extracelulares, un grupo de investigadores con visión de futuro de la Carnegie Mellon University y el Istituto Italiano di Tecnologia ha identificado una bajo costo, y plataforma biocompatible para permitir grabaciones intracelulares más ricas.

La asociación única del grupo "al otro lado del océano" comenzó hace dos años en la Bioelectronics Winter School (BioEl) con libaciones y un boceto en servilleta de bar. Ha evolucionado hasta convertirse en una investigación publicada en Avances de la ciencia , detallando una nueva plataforma de microelectrodos que aprovecha el grafeno difuso tridimensional (3DFG) para permitir grabaciones intracelulares más ricas de los potenciales de acción cardíacos con una alta relación señal / ruido. Este avance podría revolucionar la investigación en curso relacionada con las enfermedades neurodegenerativas y cardíacas, así como el desarrollo de nuevas estrategias terapéuticas.

Un líder clave en este trabajo, Tzahi Cohen-Karni, profesor asociado de ingeniería biomédica y ciencia e ingeniería de materiales, ha estudiado las propiedades, efectos y posibles aplicaciones del grafeno a lo largo de toda su carrera. Ahora, está dando un paso colaborativo en una dirección diferente, utilizando una orientación de crecimiento vertical del extraordinario material a base de carbono (3DFG) para acceder al compartimento intracelular de la célula y registrar la actividad eléctrica intracelular.

Debido a sus propiedades eléctricas únicas, el grafeno se destaca como un candidato prometedor para los dispositivos biosensores basados ​​en carbono. Estudios recientes han demostrado el despliegue exitoso de biosensores de grafeno para monitorear la actividad eléctrica de los cardiomiocitos, o células del corazón, fuera de las celdas, o en otras palabras, registros extracelulares de potenciales de acción. Grabaciones intracelulares, por otra parte, han permanecido limitados debido a herramientas ineficaces ... hasta ahora.

"Nuestro objetivo es grabar toda la orquesta, ver todas las corrientes iónicas que atraviesan la membrana celular, no solo el subconjunto de la orquesta que muestran las grabaciones extracelulares, "explica Cohen-Karni." Agregar la dimensión dinámica de los registros intracelulares es fundamentalmente importante para la detección de drogas y el ensayo de toxicidad, pero este es solo un aspecto importante de nuestro trabajo ".

"El resto es el avance de la tecnología, "Cohen-Karni continúa." 3DFG es barato, plataforma flexible y totalmente de carbono; sin metales involucrados. Podemos generar electrodos del tamaño de una oblea de este material para permitir grabaciones intracelulares de múltiples sitios en cuestión de segundos, que es una mejora significativa de una herramienta existente, como una abrazadera de parche, lo que requiere horas de tiempo y experiencia ".

Entonces, ¿como funciona? Aprovechando una técnica desarrollada por Michele Dipalo y Francesco De Angelis, investigadores del Istituto Italiano di Tecnologia, se utiliza un láser ultrarrápido para acceder a la membrana celular. Al hacer brillar pulsos cortos de láser sobre el electrodo 3DFG, un área de la membrana celular se vuelve porosa de alguna manera, permitiendo que se registre la actividad eléctrica dentro de la celda. Luego, los cardiomiocitos se cultivan para investigar más a fondo las interacciones entre las células.

Curiosamente, 3DFG es negro y absorbe la mayor parte de la luz, resultando en propiedades ópticas únicas. Combinado con su estructura similar a la espuma y su enorme superficie expuesta, 3DFG tiene muchas características deseables que se necesitan para fabricar pequeños biosensores.

"Hemos desarrollado un electrodo más inteligente; un electrodo que nos permite un mejor acceso, "enfatiza Cohen-Karni." La mayor ventaja de mi parte es que podemos tener acceso a esta riqueza de señales, para poder investigar procesos de importancia intracelular. Tener una herramienta como esta revolucionará la forma en que podemos investigar los efectos de la terapéutica en los órganos terminales, como el corazón ".

A medida que avanza este trabajo, el equipo planea aplicar sus aprendizajes en interfaces de tejido / célula a gran escala, para comprender mejor el desarrollo de los tejidos y la toxicidad de los compuestos químicos (p. ej., toxicidad farmacológica).