Cientistas da Bay Area capturaram a atividade elétrica em tempo real de um coração batendo, usando uma folha de grafeno para registrar uma imagem óptica - quase como uma câmera de vídeo - dos tênues campos elétricos gerados pelo disparo rítmico das células musculares do coração.

A câmera de grafeno representa um novo tipo de sensor útil para estudar células e tecidos que geram tensões elétricas, incluindo grupos de neurônios ou células do músculo cardíaco. A data, eletrodos ou corantes químicos têm sido usados ​​para medir o disparo elétrico nessas células. Mas eletrodos e corantes medem a voltagem em apenas um ponto; uma folha de grafeno mede a voltagem continuamente em todo o tecido que toca.

O desenvolvimento, publicado online na semana passada no jornal Nano Letras , vem de uma colaboração entre duas equipes de físicos quânticos da Universidade da Califórnia, Berkeley, e físicos químicos na Universidade de Stanford.

"Porque estamos gerando imagens de todas as células simultaneamente em uma câmera, não temos que escanear, e não temos apenas uma medição pontual. Podemos imaginar toda a rede de células ao mesmo tempo, "disse Halleh Balch, um dos três primeiros autores do artigo e um recente Ph.D. destinatário no Departamento de Física da UC Berkeley.

Embora o sensor de grafeno funcione sem a necessidade de rotular as células com corantes ou traçadores, ele pode ser facilmente combinado com a microscopia padrão para criar imagens de nervos ou tecidos musculares marcados com fluorescência, ao mesmo tempo em que registra os sinais elétricos que as células usam para se comunicar.

"A facilidade com que você pode obter imagens de uma região inteira de uma amostra pode ser especialmente útil no estudo de redes neurais que têm todos os tipos de células envolvidas, "disse outro primeiro autor do estudo, Allister McGuire, que recentemente recebeu um Ph.D. de Stanford. "Se você tem um sistema celular marcado com fluorescência, você pode ter como alvo apenas um determinado tipo de neurônio. Nosso sistema permitiria que você capture a atividade elétrica em todos os neurônios e suas células de suporte com integridade muito alta, o que pode realmente impactar a maneira como as pessoas fazem esses estudos de nível de rede. "

O grafeno é uma folha de átomos de carbono com a espessura de um átomo arranjada em um padrão hexagonal bidimensional que lembra um favo de mel. A estrutura 2D atraiu o interesse dos físicos por várias décadas devido às suas propriedades elétricas e robustez únicas e às suas interessantes propriedades ópticas e optoeletrônicas.

"Este é talvez o primeiro exemplo em que você pode usar uma leitura óptica de materiais 2D para medir campos elétricos biológicos, "disse o autor sênior Feng Wang, Professor de física da UC Berkeley. "As pessoas já usaram materiais 2D para fazer alguns sensores com leitura elétrica pura antes, mas isso é único porque funciona com microscopia para que você possa fazer a detecção paralela. "

A equipe chama a ferramenta de sensor de campo elétrico de grafeno amplificado por guia de onda criticamente acoplado, ou sensor CAGE.

"Este estudo é apenas preliminar; queremos mostrar aos biólogos que existe uma ferramenta que você pode usar, e você pode fazer ótimas imagens. Possui resolução de tempo rápida e grande sensibilidade de campo elétrico, "disse o terceiro primeiro autor, Jason Horng, um UC Berkeley Ph.D. destinatário que agora é um pós-doutorado no Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia. "Agora mesmo, é apenas um protótipo, mas no futuro, Acho que podemos melhorar o dispositivo. "

O grafeno é sensível a campos elétricos

Dez anos atrás, Wang descobriu que um campo elétrico afeta a forma como o grafeno reflete ou absorve a luz. Balch e Horng exploraram essa descoberta ao projetar a câmera de grafeno. Eles obtiveram uma folha de grafeno com cerca de 1 centímetro de lado produzida por deposição de vapor químico no laboratório do professor de física Michael Crommie da UC Berkeley e colocaram nela um coração vivo de um embrião de galinha. recém-extraído de um ovo fertilizado. Esses experimentos foram realizados no laboratório de Stanford de Bianxiao Cui, que desenvolve ferramentas em nanoescala para estudar a sinalização elétrica em neurônios e células cardíacas.

A equipe mostrou que quando o grafeno foi ajustado corretamente, os sinais elétricos que fluíam ao longo da superfície do coração durante uma batida eram suficientes para alterar a refletância da folha de grafeno.

"Quando as células se contraem, eles disparam potenciais de ação que geram um pequeno campo elétrico fora da célula, "Balch disse." A absorção de grafeno logo abaixo dessa célula é modificada, então veremos uma mudança na quantidade de luz que volta daquela posição na grande área de grafeno. "

Em estudos iniciais, Contudo, Horng descobriu que a mudança na refletância era muito pequena para ser detectada facilmente. Um campo elétrico reduz a refletância do grafeno em no máximo 2%; o efeito era muito menor devido a mudanças no campo elétrico quando as células do músculo cardíaco disparavam um potencial de ação.

Juntos, Balch, Horng e Wang encontraram uma maneira de amplificar este sinal adicionando um guia de onda fino abaixo do grafeno, forçando a luz do laser refletida a saltar internamente cerca de 100 vezes antes de escapar. Isso tornou a alteração na refletância detectável por uma câmera de vídeo ótica normal.

"Uma maneira de pensar sobre isso é que quanto mais vezes a luz é refletida no grafeno conforme ele se propaga por esta pequena cavidade, mais efeitos que a luz sente a partir da resposta do grafeno, e isso nos permite obter muito, sensibilidade muito alta a campos elétricos e tensões até microvolts, "Balch disse.

O aumento da amplificação necessariamente diminui a resolução da imagem, mas a 10 mícrons, é mais do que suficiente estudar as células cardíacas com várias dezenas de mícrons de diâmetro, ela disse.

Outro aplicativo, McGuire disse, é testar o efeito de candidatos a medicamentos no músculo cardíaco antes que esses medicamentos entrem em ensaios clínicos para ver se, por exemplo, eles induzem uma arritmia indesejada. Para demonstrar isso, ele e seus colegas observaram o coração de galinha batendo com CAGE e um microscópio óptico enquanto o infundiam com uma droga, blebbistatina, que inibe a proteína muscular miosina. Eles observaram o coração parar de bater, mas o CAGE mostrou que os sinais elétricos não foram afetados.

Como as folhas de grafeno são mecanicamente resistentes, eles também podem ser colocados diretamente na superfície do cérebro para obter uma medida contínua da atividade elétrica - por exemplo, para monitorar o disparo de neurônios no cérebro de pessoas com epilepsia ou para estudar a atividade cerebral fundamental. Os arranjos de eletrodos de hoje medem a atividade em algumas centenas de pontos, não continuamente sobre a superfície do cérebro.

"Uma das coisas que me surpreendem neste projeto é que os campos elétricos medeiam as interações químicas, medeiam interações biofísicas - eles mediam todos os tipos de processos no mundo natural - mas nunca os medimos. Nós medimos a corrente, e medimos a voltagem, "Balch disse." A capacidade de realmente criar imagens de campos elétricos dá a você uma visão de uma modalidade da qual você tinha pouco conhecimento prévio. "