每个心跳和大脑信号的背后都是巨大的电活动乐团。尽管当前的电生理观察技术主要限于细胞外记录,但卡内基·梅隆大学和意大利理工学院的前瞻性研究人员小组已经确定了一种灵活,低成本且生物相容的平台,可以进行更丰富的细胞内记录。
该小组独特的“跨越海洋”合作伙伴关系始于两年前在生物电子冬季学校(BioEl)上的解放和酒吧餐巾素描中国化工网okmart.com。它已经演变成今天发表在《科学进展》上的研究,详细介绍了一种新型的微电极平台,该平台利用三维模糊石墨烯(3DFG)来实现具有高信噪比的更丰富的心脏动作电位细胞内记录。这一进步可能会彻底改变与神经退行性疾病和心脏疾病有关的正在进行的研究,以及开发新的治疗策略。
生物医学工程和材料科学与工程学副教授Tzahi Cohen-Karni是这项工作的主要领导者,他在整个职业生涯中一直研究石墨烯的性质,作用和潜在应用。现在,他正朝着不同的方向迈出协作的一步,利用非常规碳基材料(3DFG)的垂直生长方向进入细胞的细胞内区室并记录细胞内电活动。
由于其独特的电性能,石墨烯在碳基生物传感设备中脱颖而出。最近的研究表明,成功地部署了石墨烯生物传感器,用于监测细胞外部的心肌细胞或心脏细胞的电活动,或者换句话说,记录了动作电位的细胞外记录。另一方面,由于工具无效,细胞内记录一直受到限制……直到现在。
Cohen-Karni解释说:“我们的目的是记录整个乐团-观察穿过细胞膜的所有离子流-不仅仅是细胞外录音所显示的乐团的子集。” “增加细胞内记录的动态范围对于药物筛选和毒性测定至关重要,但这只是我们工作的重要方面。”
“剩下的就是技术的进步,” Cohen-Karni继续说道。“ 3DFG便宜,灵活,全碳平台;不涉及任何金属。我们可以生产这种材料的晶片大小的电极,以在几秒钟内完成多点细胞内记录,这是对现有工具的一项重大改进,例如贴片夹,这需要数小时的时间和专业知识。”
那么它是怎样工作的?利用Istituto Italiano di Tecnologia研究人员Michele Dipalo和Francesco De Angelis开发的技术,超快激光被用于进入细胞膜。通过将短脉冲激光照射到3DFG电极上,细胞膜的区域会以某种方式变得多孔,从而可以记录细胞内的电活动。然后,培养心肌细胞以进一步研究细胞之间的相互作用。
有趣的是,3DFG是黑色的,吸收了大部分的光,从而产生了独特的光学特性。结合其类似泡沫的结构和巨大的暴露表面积,3DFG具有制造小型生物传感器所需的许多理想特性。
Cohen-Karni强调说:“我们开发了一种更智能的电极;该电极可让我们更好地进行操作。” “从我的观点出发,最大的优势是我们可以利用这种信号丰富性,从而能够研究细胞内重要的过程。拥有这样的工具将彻底改变我们研究治疗剂对终末器官的作用的方法,例如心脏。”
随着这项工作的进行,研究小组计划将其学习成果应用到大规模细胞/组织界面中,以更好地了解组织发育和化学物质的毒性(例如药物毒性)。