Atrás de cada batimento cardíaco e sinal cerebral existe uma enorme orquestra de atividade elétrica. Embora as técnicas atuais de observação eletrofisiológica tenham sido principalmente limitadas a registros extracelulares, um grupo de pesquisadores com visão de futuro da Carnegie Mellon University e do Istituto Italiano di Tecnologia identificou um baixo custo, e plataforma biocompatível para permitir gravações intracelulares mais ricas.

A parceria única do grupo "do outro lado do oceano" começou há dois anos na Escola de Inverno de Bioeletrônica (BioEl) com libações e um esboço de guardanapo de barra. Ele evoluiu para uma pesquisa publicada em Avanços da Ciência , detalhando uma nova plataforma de microeletrodo que aproveita o grafeno difuso tridimensional (3DFG) para permitir registros intracelulares mais ricos de potenciais de ação cardíaca com alta relação sinal-ruído. Este avanço pode revolucionar a pesquisa em andamento relacionada a doenças neurodegenerativas e cardíacas, bem como o desenvolvimento de novas estratégias terapêuticas.

Um líder importante neste trabalho, Tzahi Cohen-Karni, professor associado de engenharia biomédica e ciência e engenharia de materiais, estudou as propriedades, efeitos, e potenciais aplicações do grafeno ao longo de toda a sua carreira. Agora, ele está dando um passo colaborativo em uma direção diferente, usando uma orientação crescida verticalmente do material à base de carbono extraordinário (3DFG) para acessar o compartimento intracelular da célula e registrar a atividade elétrica intracelular.

Devido às suas propriedades elétricas únicas, o grafeno se destaca como um candidato promissor para dispositivos de biossensor à base de carbono. Estudos recentes têm mostrado a implantação bem-sucedida de biossensores de grafeno para monitorar a atividade elétrica dos cardiomiócitos, ou células do coração, fora das células, ou em outras palavras, registros extracelulares de potenciais de ação. Gravações intracelulares, por outro lado, permaneceram limitados devido a ferramentas ineficazes ... até agora.

"Nosso objetivo é gravar toda a orquestra - para ver todas as correntes iônicas que cruzam a membrana celular - não apenas o subconjunto da orquestra mostrado por gravações extracelulares, "explica Cohen-Karni." Adicionar a dimensão dinâmica das gravações intracelulares é fundamentalmente importante para a triagem de drogas e ensaio de toxicidade, mas este é apenas um aspecto importante do nosso trabalho. "

"O resto é o avanço da tecnologia, "Cohen-Karni continua." 3DFG é barato, flexível e uma plataforma totalmente de carbono; sem metais envolvidos. Podemos gerar eletrodos do tamanho de uma bolacha deste material para permitir gravações intracelulares de vários locais em questão de segundos, que é um aprimoramento significativo de uma ferramenta existente, como um patch clamp, o que requer horas de tempo e experiência. "

Então, como funciona? Aproveitando uma técnica desenvolvida por Michele Dipalo e Francesco De Angelis, pesquisadores do Istituto Italiano di Tecnologia, um laser ultrarrápido é usado para acessar a membrana celular. Ao brilhar pulsos curtos de laser no eletrodo 3DFG, uma área da membrana celular se torna porosa de uma forma, permitindo que a atividade elétrica dentro da célula seja registrada. Então, os cardiomiócitos são cultivados para investigar as interações entre as células.

Interessantemente, 3DFG é preto e absorve a maior parte da luz, resultando em propriedades ópticas únicas. Combinado com sua estrutura de espuma e enorme área de superfície exposta, 3DFG tem muitas características desejáveis ​​que são necessárias para fazer pequenos biossensores.

"Desenvolvemos um eletrodo mais inteligente; um eletrodo que nos permite um melhor acesso, "enfatiza Cohen-Karni." A maior vantagem do meu lado é que podemos ter acesso a essa riqueza de sinal, ser capaz de examinar processos de importância intracelular. Ter uma ferramenta como essa vai revolucionar a maneira como podemos investigar os efeitos da terapêutica nos órgãos terminais, como o coração. "

À medida que este trabalho avança, a equipe planeja aplicar seus aprendizados em interfaces de células / tecidos em grande escala, para entender melhor o desenvolvimento do tecido e a toxicidade de compostos químicos (por exemplo, toxicidade de drogas).