Ingenieros de la Universidad de California en San Diego han desarrollado una nueva y poderosa herramienta que monitorea la actividad eléctrica dentro de las células del corazón, utilizando pequeños sensores "emergentes" que penetran en las células sin dañarlas. El dispositivo mide directamente el movimiento y la velocidad de las señales eléctricas que viajan dentro de una sola célula cardíaca, por primera vez, así como entre múltiples células cardíacas. También es el primero en medir estas señales dentro de las células de los tejidos 3D.

El dispositivo, publicado el 23 de diciembre en la revista Nature Nanotechnology , podría permitir a los científicos obtener información más detallada sobre los trastornos cardíacos y enfermedades como la arritmia (ritmo cardíaco anormal), el ataque cardíaco y la fibrosis cardíaca (endurecimiento o engrosamiento del tejido cardíaco).

"Estudiar cómo se propaga una señal eléctrica entre diferentes células es importante para comprender el mecanismo de la función celular y la enfermedad", dijo el primer autor Yue Gu, quien recientemente recibió su Ph.D. en ciencia e ingeniería de materiales en UC San Diego. "Las irregularidades en esta señal pueden ser un signo de arritmia, por ejemplo. Si la señal no se puede propagar correctamente de una parte del corazón a otra, entonces alguna parte del corazón no puede recibir la señal y no puede contraerse".

"Con este dispositivo, podemos acercarnos al nivel celular y obtener una imagen de muy alta resolución de lo que sucede en el corazón; podemos ver qué células están funcionando mal, qué partes no están sincronizadas con las demás y señalar dónde se encuentra la señal. es débil", dijo el autor principal Sheng Xu, profesor de nanoingeniería en la Escuela de Ingeniería UC San Diego Jacobs. "Esta información podría usarse para ayudar a informar a los médicos y permitirles hacer mejores diagnósticos".

El dispositivo consta de una matriz 3D de transistores de efecto de campo microscópicos, o FET, que tienen forma de puntas afiladas. Estos diminutos FET atraviesan las membranas celulares sin dañarlas y son lo suficientemente sensibles como para detectar señales eléctricas, incluso las muy débiles, directamente dentro de las células. Para evitar ser vistos como una sustancia extraña y permanecer dentro de las células durante largos períodos de tiempo, los FET están recubiertos con una bicapa de fosfolípidos. Los FET pueden monitorear señales de múltiples celdas al mismo tiempo. Incluso pueden monitorear señales en dos sitios diferentes dentro de la misma celda.

"Eso es lo que hace que este dispositivo sea único", dijo Gu. "Puede hacer que dos sensores FET penetren dentro de una celda, con una invasividad mínima, y ​​nos permitan ver de qué manera se propaga una señal y qué tan rápido va. Esta información detallada sobre el transporte de señales dentro de una sola celda hasta ahora se desconoce".

Para construir el dispositivo, el equipo primero fabricó los FET como formas 2D y luego unió puntos seleccionados de estas formas en una lámina de elastómero preestirada. Luego, los investigadores aflojaron la lámina de elastómero, lo que provocó que el dispositivo se doblara y los FET se doblaran en una estructura 3D para que pudieran penetrar dentro de las células.

"Es como un libro emergente", dijo Gu. "Comienza como una estructura 2D y, con la fuerza de compresión, aparece en algunas partes y se convierte en una estructura 3D".

El equipo probó el dispositivo en cultivos de células del músculo cardíaco y en tejidos cardíacos que se diseñaron en el laboratorio. Los experimentos consistieron en colocar el cultivo celular o el tejido encima del dispositivo y luego monitorear las señales eléctricas que captaron los sensores FET. Al ver qué sensores detectaron una señal primero y luego midieron los tiempos que les tomó a otros sensores detectar la señal, el equipo pudo determinar en qué dirección viajó la señal y su velocidad. Los investigadores pudieron hacer esto para señales que viajaban entre células vecinas y, por primera vez, para señales que viajaban dentro de una sola célula del músculo cardíaco.

Lo que hace que esto sea aún más emocionante, dijo Xu, es que esta es la primera vez que los científicos han podido medir señales intracelulares en construcciones de tejido 3D. "Hasta ahora, solo las señales extracelulares, es decir, las señales que están fuera de la membrana celular, se han medido en este tipo de tejidos. Ahora, podemos captar señales dentro de las células que están incrustadas en el tejido 3D u organoide", dijo. dijo.

Los experimentos del equipo llevaron a una observación interesante:las señales dentro de las células cardíacas individuales viajan casi cinco veces más rápido que las señales entre múltiples células cardíacas. Estudiar este tipo de detalles podría revelar información sobre anomalías cardíacas a nivel celular, dijo Gu. "Digamos que está midiendo la velocidad de la señal en una celda y la velocidad de la señal entre dos celdas. Si hay una diferencia muy grande entre estas dos velocidades, es decir, si la velocidad intercelular es mucho, mucho menor que la velocidad intracelular, entonces es probable que algo ande mal en la unión entre las células, posiblemente debido a la fibrosis", explicó.

Los biólogos también podrían usar este dispositivo para estudiar el transporte de señales entre diferentes orgánulos en una célula, agregó Gu. Un dispositivo como este también podría usarse para probar nuevos medicamentos y ver cómo afectan las células y los tejidos del corazón.

El dispositivo también sería útil para estudiar la actividad eléctrica dentro de las neuronas. Esta es una dirección que el equipo busca explorar a continuación. Más adelante, los investigadores planean usar su dispositivo para registrar la actividad eléctrica en tejido biológico real in vivo. Xu imagina un dispositivo implantable que se puede colocar en la superficie de un corazón que late o en la superficie de la corteza. Pero el dispositivo todavía está lejos de esa etapa. Para llegar allí, los investigadores tienen más trabajo por hacer, incluido el ajuste fino del diseño de los sensores FET, la optimización del tamaño y los materiales de la matriz FET, y la integración de algoritmos de procesamiento de señales asistidos por IA en el dispositivo. + Explora más

Las señales eléctricas entre las células cardíacas individuales regulan los latidos del corazón