Ingenjörer vid University of California San Diego har utvecklat ett kraftfullt nytt verktyg som övervakar den elektriska aktiviteten inuti hjärtcellerna, med hjälp av små "pop-up"-sensorer som petar in i cellerna utan att skada dem. Enheten mäter direkt rörelsen och hastigheten för elektriska signaler som färdas inom en enda hjärtcell - en första - såväl som mellan flera hjärtceller. Det är också den första som mäter dessa signaler inuti cellerna i 3D-vävnader.

Enheten, publicerad 23 december i tidskriften Nature Nanotechnology , skulle kunna göra det möjligt för forskare att få mer detaljerade insikter om hjärtsjukdomar och sjukdomar som arytmi (onormal hjärtrytm), hjärtinfarkt och hjärtfibros (stelnad eller förtjockning av hjärtvävnad).

"Att studera hur en elektrisk signal fortplantar sig mellan olika celler är viktigt för att förstå mekanismen för cellfunktion och sjukdom", sa förstaförfattaren Yue Gu, som nyligen tog sin doktorsexamen. i materialvetenskap och teknik vid UC San Diego. "Oregelbundenheter i denna signal kan till exempel vara ett tecken på arytmi. Om signalen inte kan fortplanta sig korrekt från en del av hjärtat till en annan, kan en del av hjärtat inte ta emot signalen så det kan inte dra ihop sig."

"Med den här enheten kan vi zooma in på cellnivå och få en mycket högupplöst bild av vad som händer i hjärtat; vi kan se vilka celler som inte fungerar, vilka delar som inte är synkroniserade med de andra, och lokalisera var signalen är svag", säger seniorförfattaren Sheng Xu, professor i nanoteknik vid UC San Diego Jacobs School of Engineering. "Denna information kan användas för att informera läkare och göra det möjligt för dem att ställa bättre diagnoser."

Enheten består av en 3D-array av mikroskopiska fälteffekttransistorer, eller FET:er, som är formade som skarpa spetsar. Dessa små FET:er tränger igenom cellmembranen utan att skada dem och är känsliga nog att upptäcka elektriska signaler - även mycket svaga - direkt inuti cellerna. För att undvika att ses som ett främmande ämne och förbli inuti cellerna under långa perioder, är FET:erna belagda i ett fosfolipiddubbelskikt. FET:erna kan övervaka signaler från flera celler samtidigt. De kan till och med övervaka signaler på två olika platser i samma cell.

"Det är det som gör den här enheten unik", sa Gu. "Den kan ha två FET-sensorer penetrera inuti en cell – med minimal invasivitet – och tillåta oss att se åt vilket håll en signal fortplantar sig och hur snabbt den går. Denna detaljerade information om signaltransport inom en enda cell har hittills varit okänd."

För att bygga enheten tillverkade teamet först FET:erna som 2D-former och satte sedan fast utvalda fläckar av dessa former på ett försträckt elastomerark. Forskarna lossade sedan elastomerarket, vilket fick enheten att buckla och FET:erna att vikas till en 3D-struktur så att de kan tränga in i cellerna.

"Det är som en popup-bok", sa Gu. "Den börjar som en 2D-struktur och med tryckkraft dyker den upp i vissa delar och blir en 3D-struktur."

Teamet testade enheten på hjärtmuskelcellkulturer och på hjärtvävnader som konstruerades i labbet. Experimenten involverade att antingen placera cellkulturen eller vävnaden ovanpå enheten och sedan övervaka de elektriska signalerna som FET-sensorerna plockade upp. Genom att se vilka sensorer som först upptäckte en signal och sedan mäta de tider det tog för andra sensorer att upptäcka signalen, kunde teamet avgöra vilken väg signalen färdades och dess hastighet. Forskarna kunde göra detta för signaler som färdades mellan närliggande celler och för första gången för signaler som färdades inom en enda hjärtmuskelcell.

Vad som gör detta ännu mer spännande, sa Xu, är att det här är första gången som forskare har kunnat mäta intracellulära signaler i 3D-vävnadskonstruktioner. "Än så länge har bara extracellulära signaler, vilket betyder signaler som är utanför cellmembranet, mätts i dessa typer av vävnader. Nu kan vi faktiskt fånga upp signaler inuti cellerna som är inbäddade i 3D-vävnaden eller organoiden," han sa.

Teamets experiment ledde till en intressant observation:signaler inuti individuella hjärtceller färdas nästan fem gånger snabbare än signaler mellan flera hjärtceller. Att studera dessa typer av detaljer kan avslöja insikter om hjärtavvikelser på cellnivå, sa Gu. "Säg att du mäter signalhastigheten i en cell och signalhastigheten mellan två celler. Om det finns en mycket stor skillnad mellan dessa två hastigheter - det vill säga om den intercellulära hastigheten är mycket, mycket mindre än den intracellulära hastigheten - då det är troligt att något är fel i korsningen mellan cellerna, möjligen på grund av fibros", förklarade han.

Biologer kan också använda den här enheten för att studera signaltransport mellan olika organeller i en cell, tillade Gu. En sådan här enhet kan också användas för att testa nya läkemedel och se hur de påverkar hjärtceller och vävnader.

Enheten skulle också vara användbar för att studera elektrisk aktivitet inuti neuroner. Detta är en riktning som teamet vill utforska härnäst. Efteråt planerar forskarna att använda sin enhet för att registrera elektrisk aktivitet i verklig biologisk vävnad in vivo. Xu föreställer sig en implanterbar enhet som kan placeras på ytan av ett bankande hjärta eller på ytan av cortex. Men enheten är fortfarande långt ifrån det stadiet. För att nå dit har forskarna mer arbete att göra, inklusive att finjustera layouten för FET-sensorerna, optimera FET-matrisens storlek och material och integrera AI-assisterade signalbehandlingsalgoritmer i enheten. + Utforska vidare

Elektriska signaler mellan individuella hjärtceller reglerar hjärtslag