Forskare i Bay Area har fångat den elektriska aktiviteten i realtid hos ett bankande hjärta, använda ett ark grafen för att spela in en optisk bild - nästan som en videokamera - av de svaga elektriska fält som genereras av den rytmiska avfyrningen av hjärtats muskelceller.

Grafenkameran representerar en ny typ av sensor som är användbar för att studera celler och vävnader som genererar elektriska spänningar, inklusive grupper av neuroner eller hjärtmuskelceller. Hittills, elektroder eller kemiska färgämnen har använts för att mäta elektrisk eldning i dessa celler. Men elektroder och färgämnen mäter bara spänningen vid en punkt; ett grafenark mäter spänningen kontinuerligt över all vävnad den vidrör.

Utvecklingen, publicerades online förra veckan i tidskriften Nanobokstäver , kommer från ett samarbete mellan två team av kvantfysiker vid University of California, Berkeley, och fysikaliska kemister vid Stanford University.

"Eftersom vi avbildar alla celler samtidigt på en kamera, vi behöver inte skanna, och vi har inte bara en punktmätning. Vi kan avbilda hela nätverket av celler samtidigt, sade Halleh Balch, en av tre första författare till artikeln och en nyligen doktorsexamen. mottagare vid UC Berkeleys institution för fysik.

Medan grafensensorn fungerar utan att behöva märka celler med färgämnen eller spårämnen, den kan enkelt kombineras med standardmikroskopi för att avbilda fluorescensmärkt nerv- eller muskelvävnad samtidigt som de registrerar de elektriska signaler som cellerna använder för att kommunicera.

"Lättheten med vilken du kan avbilda en hel region av ett prov kan vara särskilt användbar i studien av neurala nätverk som har alla typer av celltyper inblandade, " sa en annan första författare till studien, Allister McGuire, som nyligen fick en Ph.D. från Stanford. "Om du har ett fluorescensmärkt cellsystem, du kanske bara riktar dig mot en viss typ av neuron. Vårt system skulle tillåta dig att fånga elektrisk aktivitet i alla neuroner och deras stödceller med mycket hög integritet, vilket verkligen kan påverka hur människor gör dessa studier på nätverksnivå."

Grafen är ett enatoms tjockt ark av kolatomer arrangerade i ett tvådimensionellt hexagonalt mönster som påminner om bikaka. 2D-strukturen har fångat fysikers intresse i flera decennier på grund av dess unika elektriska egenskaper och robusthet och dess intressanta optiska och optoelektroniska egenskaper.

"Detta är kanske det första exemplet där du kan använda en optisk avläsning av 2D-material för att mäta biologiska elektriska fält, " sa seniorförfattaren Feng Wang, UC Berkeley professor i fysik. "Folk har använt 2D-material för att göra lite avkänning med ren elektrisk avläsning tidigare, men detta är unikt genom att det fungerar med mikroskopi så att du kan göra parallell detektion."

Teamet kallar verktyget en kritiskt kopplad vågledare-förstärkt grafen elektrisk fältsensor, eller CAGE-sensor.

"Denna studie är bara en preliminär en; vi vill visa upp för biologer att det finns ett sådant verktyg du kan använda, och du kan göra fantastiska bilder. Den har snabb tidsupplösning och stor elektrisk fältkänslighet, sa den tredje första författaren, Jason Horng, en UC Berkeley Ph.D. mottagare som nu är postdoktor vid National Institute of Standards and Technology. "Just nu, det är bara en prototyp, men i framtiden, Jag tror att vi kan förbättra enheten."

Grafen är känsligt för elektriska fält

Tio år sedan, Wang upptäckte att ett elektriskt fält påverkar hur grafen reflekterar eller absorberar ljus. Balch och Horng utnyttjade denna upptäckt när de designade grafenkameran. De skaffade ett ark grafen cirka 1 centimeter på en sida som producerats av kemisk ångavsättning i laboratoriet av UC Berkeleys fysikprofessor Michael Crommie och placerade på det ett levande hjärta från ett kycklingembryo, nyligen extraherad från ett befruktat ägg. Dessa experiment utfördes i Stanford-labbet i Bianxiao Cui, som utvecklar verktyg i nanoskala för att studera elektrisk signalering i neuroner och hjärtceller.

Teamet visade att när grafenet var korrekt inställt, de elektriska signalerna som flödade längs hjärtats yta under ett slag var tillräckliga för att ändra reflektansen hos grafenarket.

"När celler drar ihop sig, de avfyrar aktionspotentialer som genererar ett litet elektriskt fält utanför cellen, " sa Balch. "Absorptionen av grafen precis under den cellen är modifierad, så vi kommer att se en förändring i mängden ljus som kommer tillbaka från den positionen på den stora ytan av grafen."

I inledande studier, dock, Horng fann att förändringen i reflektans var för liten för att lätt kunna upptäckas. Ett elektriskt fält minskar grafens reflektans med högst 2 %; effekten var mycket mindre från förändringar i det elektriska fältet när hjärtmuskelcellerna avfyrade en aktionspotential.

Tillsammans, Balch, Horng och Wang hittade ett sätt att förstärka denna signal genom att lägga till en tunn vågledare under grafen, tvingar det reflekterade laserljuset att studsa internt cirka 100 gånger innan det flyr. Detta gjorde förändringen i reflektans detekterbar av en normal optisk videokamera.

"Ett sätt att tänka på det är att ju fler gånger ljuset studsar av grafen när det fortplantar sig genom denna lilla hålighet, ju fler effekter ljuset känner av grafens svar, och det gör att vi kan få mycket, mycket hög känslighet för elektriska fält och spänningar ner till mikrovolt, sa Balch.

Den ökade förstärkningen sänker nödvändigtvis bildens upplösning, men vid 10 mikron, det är mer än tillräckligt att studera hjärtceller som är flera tiotals mikrometer i diameter, Hon sa.

En annan applikation, McGuire sa, är att testa effekten av läkemedelskandidater på hjärtmuskeln innan dessa läkemedel går in i kliniska prövningar för att se om, till exempel, de framkallar en oönskad arytmi. För att visa detta, han och hans kollegor observerade det bankande kycklinghjärtat med CAGE och ett optiskt mikroskop medan de infunderade det med en drog, blebbistatin, som hämmar muskelproteinet myosin. De såg att hjärtat slutade slå, men CAGE visade att de elektriska signalerna var opåverkade.

Eftersom grafenark är mekaniskt tuffa, de kan också placeras direkt på hjärnans yta för att få ett kontinuerligt mått på elektrisk aktivitet – till exempel, för att övervaka neuronavfyrning i hjärnan hos personer med epilepsi eller för att studera grundläggande hjärnaktivitet. Dagens elektroduppsättningar mäter aktivitet vid några hundra punkter, inte kontinuerligt över hjärnans yta.

"En av de saker som är fantastiska för mig med det här projektet är att elektriska fält förmedlar kemiska interaktioner, förmedlar biofysiska interaktioner – de förmedlar alla möjliga processer i den naturliga världen – men vi mäter dem aldrig. Vi mäter ström, och vi mäter spänning, " Sa Balch. "Förmågan att faktiskt avbilda elektriska fält ger dig en titt på en modalitet som du tidigare hade liten insikt i."