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 de las células musculares del corazón.

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 el disparo eléctrico en estas celdas. Pero los electrodos y los 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 físicos químicos 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 medida 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 un doctorado reciente. recipiente 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 y, al mismo tiempo, registrar las señales eléctricas que utilizan las células 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 recibió un Ph.D. de Stanford. "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, lo 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 sus interesantes propiedades ópticas y optoelectrónicas.

"Este es quizás el primer ejemplo en el que puede utilizar una lectura óptica de materiales 2D para medir campos eléctricos biológicos, "dijo el autor principal Feng Wang, Profesor de física de UC Berkeley. "La gente ha utilizado materiales 2D para realizar algunas detecciones con lecturas eléctricas puras 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 JAULA.

"Este estudio es solo preliminar; queremos mostrarles a los biólogos que existe una herramienta de este tipo que puede utilizar, y puede obtener excelentes imágenes. Tiene una resolución de tiempo rápida y una gran sensibilidad al campo eléctrico, "dijo el tercer primer autor, Jason Horng, un doctorado de UC Berkeley. destinatario que ahora es becario postdoctoral en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología. "Ahora, 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 deposición de vapor químico en el laboratorio del profesor de física de UC Berkeley Michael Crommie y colocaron sobre ella 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, quien desarrolla herramientas a nanoescala para estudiar la señalización eléctrica en neuronas y células cardíacas.

El equipo demostró que cuando el grafeno se ajusta 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 celda, "Dijo Balch." La absorción de grafeno justo debajo de esa celda se modifica, por lo que veremos un cambio en la cantidad de luz que regresa desde esa posición en la gran área de grafeno ".

En estudios iniciales, sin embargo, Horng descubrió que el cambio en la reflectancia era demasiado pequeño para detectarlo fácilmente. Un campo eléctrico reduce la reflectancia del grafeno como máximo en un 2%; el efecto fue mucho menor por los cambios en el campo eléctrico cuando las células del músculo cardíaco 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, obligando 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 una cámara de video óptica normal.

"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, Cuantos más efectos siente la luz por la respuesta del grafeno, y eso nos permite obtener muy, muy alta sensibilidad a campos 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 diámetro, ella dijo.

Otra aplicación, McGuire dijo:es probar el efecto de los fármacos candidatos 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 el corazón de pollo latiendo con CAGE y un microscopio óptico mientras lo infundían con un medicamento, blebbistatina, que inhibe la proteína muscular miosina. Observaron que el corazón dejaba de latir pero CAGE demostró 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 controlar la activación de las neuronas en el cerebro de las personas con epilepsia o para estudiar la actividad cerebral fundamental. Las matrices de electrodos actuales 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 las medimos. Medimos la corriente, y medimos voltaje, "Dijo Balch." La capacidad de obtener imágenes de campos eléctricos le da una mirada a una modalidad de la que antes tenía poca información ".