Forskare vid EPFL och universitetet i Bern har utvecklat en banbrytande metod för att studera de elektriska signalerna från hjärtmuskelceller. Tekniken har många potentiella tillämpningar inom grundläggande och tillämpad forskning – som att förbättra sökandet efter mekanismer som ligger bakom hjärtarytmier.

Celler är de minsta levande enheterna i människokroppen. Excitabla celler som neuroner och hjärtmuskelceller - kardiomyocyter - använder elektriska signaler, så kallade aktionspotentialer, att kommunicera med varandra. Forskare studerar dessa signaler som ligger till grund för normal hjärn- och hjärtfunktion med hjälp av elektroder placerade antingen utanför eller inuti cellmembranet, metoder som kallas extracellulär och intracellulär registrering.

Forskare vid EPFL:s Microsystems Laboratory 4 (LMIS4), ledd av Philippe Renaud, och Laboratory of Cellular Optics II vid universitetet i Bern, leds av Stephan Rohr, har gått samman för att utveckla en ny mikroelektrod som penetrerar cellmembranet utan hjälp och, när den placeras i en array, gör det möjligt för forskare att följa elektrisk aktivitet när den sprider sig genom vävnader. Forskarnas resultat har publicerats i Nanobokstäver .

Nyskapande teknologi

Medan inspelningssystem för cellulär elektrisk aktivitet har utvecklats markant under åren, de har fortfarande begränsningar. Icke-invasiva extracellulära multielektrodarrayer som använder elektroder placerade utanför membranet rapporterar signaler som endast är indirekt relaterade till aktionspotentialerna. De berättar lite för forskarna om den faktiska formen av aktionspotentialen - en övergående ökning av cellernas membranpotential - som får hjärtat att slå, till exempel.

Sedan cellulära aktionspotentialer först mättes av Silvio Weidmann från universitetet i Berns institution för fysiologi för sju decennier sedan, forskare har mätt dessa signaler genom att få intracellulär åtkomst med mikroelektroder. Dessa elektroder kan spetsas in i cellerna, eller de kan placeras på cellmembranet, varefter membranet öppnas under elektrodens mynning. Detta kan göras antingen mekaniskt eller genom elektroporering - applicering av högspänningspulser på elektroden. Den senare tekniken användes nyligen för att få intracellulär åtkomst av nanostrukturerade elektroder i form av mikroskopiska svampar, till exempel. Dock, denna metod är inte idealisk eftersom gränssnittet mellan cellmembranet och nanostrukturen är instabil, lämnar bara ett kort fönster - vanligtvis några sekunder eller minuter högst - för forskare att registrera aktionspotentialer från celler.

Inspirerad av naturen

Teamet från EPFL och University of Bern tog de bästa egenskaperna hos befintlig teknik och kom fram till en genialisk vulkanformad design för att komma runt detta problem. "Genom att omarbeta geometrin och materialen, vi utvecklade en elektrod som penetrerar cellmembranet utan hjälp, vilket eliminerar behovet av elektroporering, " säger Benoît Desbiolles, doktorand vid LMIS4 och huvudförfattare till publikationen. "Vi har också dragit nytta av tidigare forskning från vårt labb, vilket visar att efterlikning av cellmembranet stabiliserar cell-elektrodgränssnittet."

Den nya typen av elektrod, myntad som en nanovulkan, består av tre delar. Den första är kraterns kant. Den består av en guldring som har samma storlek och är fodrad med samma biomolekyler som själva cellmembranet. Inne i kratern sitter en platinaelektrod som används för att fånga upp de elektriska signalerna. Utsidan är omgiven av isolerglas. "När du placerar en cell på strukturen och den börjar lägga sig, de vassa kanterna tränger igenom membranet och elektroden penetrerar cellen, " förklarar Desbiolles. "Istället för att reformera, membranet förankrar sig i guldringen, skapa de idealiska förhållandena för att registrera cellens elektriska aktivitet."

Lovande ansökningar

Använda nanovulkanmatriser, forskare kan mäta aktionspotentialer på flera platser i en cellkultur samtidigt, ger en mängd insikter om hur hjärtmuskelceller interagerar i rymden.

"För elektrofysiologer som mig, denna teknik är något av en dröm som går i uppfyllelse, säger Stephan Rohr, som var medförfattare till publikationen. "Utöver att mäta aktionspotentialen hos enskilda celler, vi kan nu studera hur propagerande aktionspotentialer ändrar sin form beroende på vävnadsstrukturen och patologiska tillstånd. Den kunskapen är avgörande för en djupare förståelse av de mekanismer som leder till potentiellt dödliga hjärtarytmier."

Nanovulkaner har potentiella tillämpningar långt utöver hjärtelektrofysiologi. "Bortsett från dess banbrytande design, vår elektrod är också extremt lätt att göra, " förklarar Desbiolles. Tester pågår för närvarande för att se om det fungerar lika bra med neuroner och andra excitabla celltyper. Enligt den unga forskaren, designen lovar andra vetenskapliga discipliner, också:"Nanovulkaner öppnar en dörr in i cellen. Du skulle kunna tänkas utföra elektrokemi inuti." Tekniken kan även tilltala läkemedelsindustrin, tillåta forskare att testa hur celler reagerar på droger och, i det långa loppet, utveckla riktade terapier.