La ‘cámara’ de grafeno captura la actividad eléctrica en tiempo real de un corazón que late

Universidad de California, Berkeley

Los científicos del Área de la Bahía han capturado la actividad eléctrica en tiempo real del corazón que late, utilizando una hoja de grafeno para registrar una imagen visual, casi como una cámara de video, de los débiles campos eléctricos producidos al disparar un latido regular.

La cámara de grafeno representa un nuevo tipo de sensor útil para estudiar células y tejidos que generan potencial eléctrico, incluidos grupos de neuronas o células del músculo cardíaco. Hasta ahora, se han utilizado electrodos o tintes químicos para medir la ignición eléctrica en estas celdas. Pero los electrodos y los tintes solo miden el voltaje en un punto; La hoja de grafeno mide continuamente el voltaje en todos los tejidos que toca.

El desarrollo, que se publicó en línea la semana pasada en la revista Nano Letters, proviene de una colaboración entre dos equipos de físicos cuánticos de la Universidad de California, Berkeley, y químicos físicos de la Universidad de Stanford.

“Debido a que obtenemos imágenes de todas las células simultáneamente en una cámara, no tenemos que escanear, no solo tenemos una medición puntual. Podemos obtener imágenes de toda la red de células al mismo tiempo”, dijo Haleh Balch, uno de los los primeros tres autores del artículo y un doctorado reciente en el Departamento de Física de la Universidad de California, Berkeley.

Si bien el sensor de grafeno funciona sin la necesidad de etiquetar las células con tintes o trazadores, se puede combinar fácilmente con la microscopía estándar para obtener imágenes de tejido nervioso o muscular marcado con fluorescencia mientras registra simultáneamente las señales eléctricas que las células usan para comunicarse.

Otro primer autor del estudio, Allister McGuire, quien recientemente recibió su Ph.D. de Stanford y. “Si tiene un sistema de células marcadas con fluorescencia, es posible que solo se dirija a un tipo específico de neurona. Nuestro sistema le permitirá 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 hacen esto”. estudios a nivel de red. “.

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El grafeno es una hoja de átomos de carbono de un átomo de espesor dispuestas en un patrón hexagonal bidimensional que se asemeja a un panal. La estructura bidimensional ha captado el interés de los físicos durante varias décadas debido a sus propiedades eléctricas únicas, resistencia e interesantes propiedades ópticas y optoelectrónicas.

“Este es probablemente el primer ejemplo en el que se puede utilizar una lectura óptica de un material 2D para medir campos eléctricos biológicos”, dijo el autor principal Feng Wang, profesor de física en 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 al instrumento sensor de campo eléctrico de grafeno amplificado con guía de ondas acoplada críticamente, o sensor de jaula.

“Este estudio es solo un estudio preliminar; queremos mostrar a los biólogos que hay una herramienta que se puede utilizar y que se pueden obtener excelentes imágenes. Tiene una resolución temporal rápida y una gran sensibilidad de campo”, dijo el tercer primer autor, Jason Horning, PhD, de UC Berkeley. Miembro postdoctoral de galvanoplastia en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología “En este momento, 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 una cámara de grafeno. Obtuvieron una hoja de grafeno de aproximadamente 1 cm en un lado resultante de la deposición de vapor químico en el laboratorio del profesor de física Michael Crum de UC Berkeley y colocaron sobre ella un corazón vivo de un embrión de pollo, recién extraído de un óvulo fertilizado. Estos experimentos se llevaron a cabo en el laboratorio de Stanford de Bianxiao Cui, que ha desarrollado nanoherramientas para estudiar señales eléctricas en neuronas y células cardíacas.

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El equipo demostró que cuando el grafeno estaba configurado correctamente, las señales eléctricas que fluían a lo largo de la superficie del corazón durante el pulso eran suficientes para cambiar la reflectividad de la hoja de grafeno.

“Cuando las células se contraen, liberan potenciales de acción que generan un pequeño campo eléctrico fuera de la célula”, dijo Balch. “La absorción de grafeno se modula justo debajo de esa celda, por lo que veremos un cambio en la cantidad de luz que regresa de esta posición sobre una gran área de grafeno”.

Sin embargo, Horning encontró en estudios preliminares que el cambio en la reflectancia era demasiado pequeño para ser detectado fácilmente. El campo eléctrico reduce la reflexión del grafeno en un 2% como máximo; El efecto fue mucho menor que los cambios en el campo eléctrico cuando las células del músculo cardíaco liberaron un potencial de acción.

Balch, Horng y Wang juntos encontraron una manera de amplificar esta señal agregando una guía de ondas delgada debajo del grafeno, lo que obligó a la luz láser reflejada a rebotar internamente unas 100 veces antes de escapar. Este cambio de reflectancia se hizo detectable mediante una cámara de vídeo óptica ordinaria.

“Una forma de pensarlo es que cuantas más veces la luz rebota en el grafeno a medida que se propaga a través de esta pequeña cavidad, más efectos sentirá la luz de la respuesta del grafeno, y eso nos permite tener una sensibilidad muy alta a los campos eléctricos. “, Dijo Balch.

El aumento de la amplificación reduce necesariamente la resolución de la imagen, dijo, pero a 10 micrones es más que suficiente para estudiar las células del corazón que tienen varias decenas de micrones de ancho.

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Otra aplicación, dijo McGuire, es probar el efecto de los fármacos candidatos en el músculo cardíaco antes de que ingresen a los ensayos clínicos para ver si, por ejemplo, causan arritmias no deseadas. Para demostrar esto, él y sus colegas observaron el corazón latiendo de un pollo usando una jaula y microscopía óptica mientras se le inyectaba un medicamento, blebestatin, que inhibe la proteína muscular miosina. Notaron que el corazón dejó de latir, pero CAGE mostró que las señales eléctricas no se vieron afectadas.

Debido a que las láminas de grafeno son mecánicamente rígidas, también se pueden colocar directamente sobre la superficie del cerebro para obtener una medición continua de la actividad eléctrica, por ejemplo, para monitorear la activación de neuronas en el cerebro de personas con epilepsia o para estudiar el cerebro básico. actividad. Los conjuntos de electrodos actuales miden la actividad en unos pocos cientos de puntos, en lugar de hacerlo de forma continua por encima de la superficie del cerebro.

“Una de las cosas más asombrosas para mí de este proyecto es que los campos eléctricos median reacciones químicas, median reacciones biofísicas, median todo tipo de procesos en el mundo natural, pero nunca los medimos”. “Medimos la corriente, medimos el voltaje . ”En la obtención de imágenes de campos eléctricos es en realidad una mirada a una forma en la que anteriormente tenía poca información”.

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