Grafeen ‘camera’ legt realtime elektrische activiteit van kloppend hart vast

Wetenschappers van Bay Area hebben de realtime elektrische activiteit van een kloppend hart vastgelegd, met behulp van een vel grafeen om een ​​​​optisch beeld op te nemen – bijna als een videocamera – van de zwakke elektrische velden die worden gegenereerd door het ritmische afvuren van de spiercellen van het hart.

De grafeencamera vertegenwoordigt een nieuw type sensor dat nuttig is voor het bestuderen van cellen en weefsels die elektrische spanningen genereren, waaronder groepen neuronen of hartspiercellen. Tot op heden zijn elektroden of chemische kleurstoffen gebruikt om het elektrisch vuren in deze cellen te meten. Maar elektroden en kleurstoffen meten de spanning slechts op één punt; een grafeenvel meet continu de spanning over al het weefsel dat het aanraakt.

De ontwikkeling, vorige week online gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters, komt voort uit een samenwerking tussen twee teams van kwantumfysici van de University of California, Berkeley, en fysische chemici van Stanford University.

“Omdat we alle cellen tegelijkertijd op een camera afbeelden, hoeven we niet te scannen en hebben we niet alleen een puntmeting. We kunnen het hele netwerk van cellen tegelijkertijd in beeld brengen”, zegt Halleh Balch, een van drie eerste auteurs van het papier en een recente Ph.D. ontvanger in UC Berkeley’s Department of Physics.

Hoewel de grafeensensor werkt zonder cellen te labelen met kleurstoffen of tracers, kan hij gemakkelijk worden gecombineerd met standaardmicroscopie om fluorescent gelabeld zenuw- of spierweefsel in beeld te brengen en tegelijkertijd de elektrische signalen op te nemen die de cellen gebruiken om te communiceren.

“Het gemak waarmee je een hele regio van een monster in beeld kunt brengen, zou vooral nuttig kunnen zijn bij de studie van neurale netwerken waarbij allerlei soorten celtypes betrokken zijn”, zei een andere eerste auteur van de studie, Allister McGuire, die onlangs een Ph. .D. van Stanford. “Als je een fluorescerend gelabeld celsysteem hebt, richt je je misschien alleen op een bepaald type neuron. Ons systeem zou je in staat stellen om elektrische activiteit in alle neuronen en hun ondersteunende cellen met een zeer hoge integriteit vast te leggen, wat echt van invloed kan zijn op de manier waarop mensen doe deze onderzoeken op netwerkniveau.”

Grafeen is een één-atoom dik vel koolstofatomen gerangschikt in een tweedimensionaal hexagonaal patroon dat doet denken aan honingraat. De 2D-structuur trekt al tientallen jaren de aandacht van natuurkundigen vanwege zijn unieke elektrische eigenschappen en robuustheid en zijn interessante optische en opto-elektronische eigenschappen.

“Dit is misschien het eerste voorbeeld waarbij je een optische uitlezing van 2D-materialen kunt gebruiken om biologische elektrische velden te meten”, zegt senior auteur Feng Wang, hoogleraar natuurkunde aan de UC Berkeley. “Mensen hebben al eerder 2D-materialen gebruikt om te meten met pure elektrische uitlezing, maar dit is uniek omdat het werkt met microscopie, zodat je parallelle detectie kunt doen.”

Het team noemt de tool een kritisch gekoppelde golfgeleider-versterkte grafeen elektrisch veldsensor, of CAGE-sensor.

“Deze studie is slechts een voorlopige; we willen biologen laten zien dat er zo’n hulpmiddel is dat je kunt gebruiken en dat je geweldige beeldvorming kunt maken. Het heeft een snelle tijdresolutie en een grote gevoeligheid voor elektrische velden”, zei de derde eerste auteur, Jason Horng, een UC Berkeley Ph.D. ontvanger die nu een postdoctoraal onderzoeker is bij het National Institute of Standards and Technology. “Op dit moment is het slechts een prototype, maar in de toekomst denk ik dat we het apparaat kunnen verbeteren.”

Grafeen is gevoelig voor elektrische velden

Tien jaar geleden ontdekte Wang dat een elektrisch veld invloed heeft op hoe grafeen licht reflecteert of absorbeert. Balch en Horng maakten gebruik van deze ontdekking bij het ontwerpen van de grafeencamera. Ze verkregen een vel grafeen van ongeveer 1 centimeter aan een zijde die was geproduceerd door chemische dampafzetting in het laboratorium van UC Berkeley natuurkundeprofessor Michael Crommie en plaatsten daarop een levend hart van een kippenembryo, vers gewonnen uit een bevruchte eicel. Deze experimenten werden uitgevoerd in het Stanford-lab van Bianxiao Cui, die hulpmiddelen op nanoschaal ontwikkelt om elektrische signalen in neuronen en hartcellen te bestuderen.

Het team toonde aan dat wanneer het grafeen goed was afgesteld, de elektrische signalen die tijdens een slag langs het oppervlak van het hart stroomden, voldoende waren om de reflectie van het grafeenblad te veranderen.

“Wanneer cellen samentrekken, vuren ze actiepotentialen af ​​die een klein elektrisch veld buiten de cel genereren,” zei Balch. “De absorptie van grafeen precies onder die cel is gewijzigd, dus we zullen een verandering zien in de hoeveelheid licht die terugkomt van die positie op het grote oppervlak van grafeen.”

In eerste onderzoeken ontdekte Horng echter dat de verandering in reflectie te klein was om gemakkelijk te detecteren. Een elektrisch veld vermindert de reflectie van grafeen met maximaal 2%; het effect was veel minder van veranderingen in het elektrische veld wanneer de hartspiercellen een actiepotentiaal afvuurden.

Balch, Horng en Wang hebben samen een manier gevonden om dit signaal te versterken door een dunne golfgeleider onder grafeen toe te voegen, waardoor het gereflecteerde laserlicht ongeveer 100 keer intern moet stuiteren voordat het ontsnapt. Dit maakte de verandering in reflectie detecteerbaar door een normale optische videocamera.

“Een manier om erover na te denken is dat hoe vaker het licht van grafeen weerkaatst terwijl het zich door deze kleine holte voortplant, hoe meer effecten het licht voelt van de reactie van grafeen, en dat stelt ons in staat een zeer, zeer hoge gevoeligheid voor elektrische velden te verkrijgen en spanningen tot microvolt,” zei Balch.

De verhoogde versterking verlaagt noodzakelijkerwijs de resolutie van het beeld, maar bij 10 micron is het meer dan genoeg om hartcellen te bestuderen die enkele tientallen microns breed zijn, zei ze.

Een andere toepassing, zei McGuire, is om het effect van kandidaat-geneesmiddelen op de hartspier te testen voordat deze medicijnen in klinische onderzoeken gaan om te zien of ze bijvoorbeeld een ongewenste aritmie veroorzaken. Om dit aan te tonen, observeerden hij en zijn collega’s het kloppende kippenhart met CAGE en een optische microscoop terwijl ze het infuseerden met een medicijn, blebbistatin, dat het spiereiwit myosine remt. Ze zagen dat het hart stopte met kloppen, maar CAGE toonde aan dat de elektrische signalen onaangetast waren.

Omdat grafeenvellen mechanisch sterk zijn, kunnen ze ook direct op het oppervlak van de hersenen worden geplaatst om een ​​continue meting van elektrische activiteit te krijgen, bijvoorbeeld om het vuren van neuronen in de hersenen van mensen met epilepsie te volgen of om fundamentele hersenactiviteit te bestuderen. De huidige elektrode-arrays meten de activiteit op een paar honderd punten, niet continu boven het hersenoppervlak.

“Een van de dingen die mij verbazen aan dit project is dat elektrische velden chemische interacties bemiddelen, biofysische interacties bemiddelen – ze mediëren allerlei processen in de natuurlijke wereld – maar we meten ze nooit. We meten stroom en we meten spanning ’, aldus Balch. “Het vermogen om elektrische velden daadwerkelijk in beeld te brengen, geeft je een blik op een modaliteit waar je voorheen weinig inzicht in had.”