Bakom varje hjärtslag och hjärnsignal finns en massiv orkester av elektrisk aktivitet. Medan nuvarande elektrofysiologiska observationstekniker mestadels har varit begränsade till extracellulära inspelningar, en framsynt grupp forskare från Carnegie Mellon University och Istituto Italiano di Tecnologia har identifierat en flexibel, låg kostnad, och biokompatibel plattform för att möjliggöra rikare intracellulära inspelningar.

Gruppens unika partnerskap "across the ocean" startade för två år sedan på Bioelectronics Winter School (BioEl) med libations och en bar servettskiss. Det har utvecklats till forskning publicerad i Vetenskapens framsteg , beskriver en ny mikroelektrodplattform som utnyttjar tredimensionell fuzzy graphene (3DFG) för att möjliggöra rikare intracellulära inspelningar av hjärtaktionspotentialer med högt signal-brusförhållande. Detta framsteg kan revolutionera pågående forskning relaterad till neurodegenerativa och hjärtsjukdomar, samt utveckling av nya terapeutiska strategier.

En nyckelledare i detta arbete, Tzahi Cohen-Karni, docent i biomedicinsk teknik och materialvetenskap och teknik, har studerat egenskaperna, effekter, och potentiella tillämpningar av grafen under hela hans karriär. Nu, han tar ett samarbetssteg i en annan riktning, använda en vertikalt odlad orientering av det extraordinära kolbaserade materialet (3DFG) för att komma åt cellens intracellulära utrymme och registrera intracellulär elektrisk aktivitet.

På grund av dess unika elektriska egenskaper, grafen framstår som en lovande kandidat för kolbaserade biosensorer. Nyligen genomförda studier har visat den framgångsrika användningen av grafenbiosensorer för att övervaka den elektriska aktiviteten hos kardiomyocyter, eller hjärtceller, utanför cellerna, eller med andra ord, extracellulära registreringar av aktionspotentialer. Intracellulära inspelningar, å andra sidan, har förblivit begränsade på grund av ineffektiva verktyg ... tills nu.

"Vårt mål är att spela in hela orkestern - att se alla jonströmmar som korsar cellmembranet - inte bara delmängden av orkestern som visas av extracellulära inspelningar, " förklarar Cohen-Karni. "Att lägga till den dynamiska dimensionen av intracellulära inspelningar är fundamentalt viktigt för läkemedelsscreening och toxicitetsanalys, men det här är bara en viktig aspekt av vårt arbete."

"Resten är den tekniska utvecklingen, " Cohen-Karni fortsätter. "3DFG är billigt, flexibel och en helt koldioxidplattform; inga metaller inblandade. Vi kan generera elektroder i waferstorlek av detta material för att möjliggöra intracellulära inspelningar på flera platser på några sekunder, vilket är en betydande förbättring från ett befintligt verktyg, som en lappklämma, som kräver timmar av tid och expertis."

Så, hur fungerar det? Utnyttja en teknik utvecklad av Michele Dipalo och Francesco De Angelis, forskare vid Istituto Italiano di Tecnologia, en ultrasnabb laser används för att komma åt cellmembranet. Genom att lysa korta laserpulser på 3DFG-elektroden, ett område av cellmembranet blir poröst på ett sätt, som tillåter elektrisk aktivitet i cellen registreras. Sedan, kardiomyocyterna odlas för att ytterligare undersöka interaktioner mellan cellerna.

Intressant, 3DFG är svart och absorberar det mesta av ljuset, vilket resulterar i unika optiska egenskaper. I kombination med dess skumliknande struktur och enorma exponerade yta, 3DFG har många önskvärda egenskaper som behövs för att göra små biosensorer.

"Vi har utvecklat en smartare elektrod; en elektrod som ger oss bättre åtkomst, " betonar Cohen-Karni. "Den största fördelen från min sida är att vi kan få tillgång till denna signalrikedom, för att kunna undersöka processer av intracellulär betydelse. Att ha ett verktyg som detta kommer att revolutionera hur vi kan undersöka effekterna av terapi på terminala organ, som hjärtat."

När detta arbete går framåt, teamet planerar att tillämpa sina lärdomar i storskaliga cell/vävnadsgränssnitt, för att bättre förstå vävnadsutveckling och toxicitet hos kemiska föreningar (t.ex. drogtoxicitet).