As células animais podem usar elementos ou íons para gerar impulsos elétricos. Esses impulsos são então transmitidos de uma célula para outra, viajando pelas redes celulares.
A capacidade de registrar com precisão os sinais elétricos trocados pelas células pode ajudar na pesquisa e melhorar as práticas em vários campos relacionados à saúde, incluindo cardiologia e neurologia. A maioria das tecnologias existentes, no entanto, são limitadas em sua precisão de detecção e escalabilidade.

Pesquisadores da Universidade da Califórnia em San Diego desenvolveram recentemente um dispositivo de detecção altamente sensível que pode ser usado para registrar os sinais elétricos das células com maior precisão. Este dispositivo, apresentado em um artigo publicado na Nature Nanotechnology , é composto por vários sensores, que podem medir coletivamente a propagação de sinais elétricos trocados por diferentes células ou dentro de células individuais.

O estudo recente foi liderado pelo Dr. Yue Gu enquanto trabalhava no laboratório do Prof. Sheng Xu na UC San Diego. Dr. Gu, é agora um associado de pós-doutorado na Universidade de Yale.

"O estabelecimento de nossa estrutura 3D, também conhecida como arquitetura 'pop-up', é baseado em um método único, a técnica de flambagem compressiva que desenvolvi durante meu pós-doutorado em 2015", disse o Prof. Xu, um dos autores do o artigo recente, disse Phys.org. "A técnica de flambagem compressiva aproveita as técnicas convencionais e versáteis de microfabricação de salas limpas para gerar estruturas 3D sofisticadas."

As estruturas 3D 'pop-up' usadas pelo Prof. Xu e seus colegas podem ser construídas usando uma ampla gama de materiais compatíveis com as técnicas de microfabricação. Os materiais de que são feitos podem, por sua vez, determinar sua função, que pode ser atenuação de ondas eletromagnéticas, vibração mecânica, sensor de pressão e deformação ou sensor de sinal elétrico.

Em seu estudo, os pesquisadores decidiram construir essas estruturas 3D para que pudessem ser usadas para registrar com precisão os sinais elétricos gerados e trocados pelas células. Seu principal objetivo era alavancar efetivamente a versatilidade da técnica de flambagem compressiva para construir um dispositivo que coletaria gravações intra e intercelulares precisas.

"A incorporação de materiais semicondutores e transistores de engenharia nesta arquitetura pop-up amplia a aplicação da técnica", explicou o Prof. Xu. "Nossa determinação de aplicar essa estrutura a células, especificamente células musculares cardíacas, foi desencadeada por discussões que Dr. Gu e eu tivemos com cardiologistas e neurologistas em 2015, que estavam reclamando das dificuldades de registrar sinais intracelulares usando as ferramentas existentes, como como o patch-clamp, que é o padrão-ouro para a gravação de sinais elétricos celulares."

Depois que aprenderam sobre os desafios que os pesquisadores médicos estavam enfrentando ao tentar coletar gravações precisas de sinais elétricos celulares, o Dr. Xu e o Dr. Gu começaram a experimentar abordagens de engenharia exclusivas que poderiam simplificar seu trabalho. Em última análise, isso levou ao desenvolvimento do novo conjunto de sensores introduzido em seu artigo recente.

"Outro objetivo do nosso estudo foi a implementação de sensores intracelulares em tecidos cardíacos projetados em 3D", disse o Prof. Xu. "É bem conhecido que as propriedades eletrofisiológicas das células variam quando estão em animais vivos, isoladas de animais vivos e cultivadas em placas. Gravar os sinais in vivo é sempre o passo mais significativo e desafiador."

O Prof. Xu e seus colegas foram os primeiros a coletar registros intracelulares precisos de células dentro do tecido cardíaco modificado. Seu estudo poderia, portanto, ser um primeiro passo para a coleta de registros celulares confiáveis ​​e in-vivo.

"Potencial de membrana celular polarizando o terminal de porta de transistores individuais resulta em uma mudança na corrente do dreno para o terminal de fonte dos transistores", explicou o Prof. Xu. "Portanto, as flutuações de corrente refletem os potenciais momentâneos da membrana. Os múltiplos transistores na matriz que desenvolvemos podem gravar simultaneamente sinais de diferentes posições de uma célula ou de células diferentes."

Para monitorar os comportamentos de propagação do sinal dentro e entre as células, o dispositivo dos pesquisadores sequencia os sinais captados por seus muitos transistores. Em contraste com outros métodos propostos anteriormente para coletar gravações celulares, o novo dispositivo é capaz de monitorar várias células simultaneamente. Além disso, seus transistores podem reter intactos os potenciais de membrana celular de amplitude total, sem sofrer atenuações ou impedâncias associadas ao processo pelo qual ele acessa as células.

"Superfícies de transistores funcionalizadas por materiais de bicamada fosfolipídica também podem camuflar os transistores inorgânicos para serem células, o que facilita muito sua inserção no corpo celular", explicou o Prof. Xu. "Em tais condições, a internalização é descrita como um processo de fusão espontânea, que deixa o mínimo, mesmo sem invasividade para a célula."

O dispositivo sensor desenvolvido pelo Prof. Xu e seus colegas também pode monitorar a velocidade de condução do sinal elétrico dentro de um cardiomiócito. Essa medida pode ser de vital importância para o trabalho do cardiologista, pois compará-la com a velocidade de condução entre células vizinhas pode auxiliar na detecção e compreensão de algumas doenças cardíacas, incluindo a fibrose cardíaca.

"Como parte de nosso estudo, implantamos a matriz de transistores em tecido cardíaco 3D e registramos os sinais elétricos intracelulares de células únicas pela primeira vez", disse Xu. "No processo, também registramos a condução de sinais elétricos e calculamos sua velocidade."

Até agora, os pesquisadores testaram principalmente seu dispositivo sensor baseado em transistor em tecido cardíaco, obtendo resultados altamente promissores. Suas descobertas iniciais sugerem que ele poderia eventualmente ser usado para coletar registros precisos de sinais elétricos produzidos e trocados por células, tanto em ambientes de laboratório quanto in vivo, nos cérebros ou corações de animais vivos ou pacientes humanos.

"Agora estamos perseguindo vários novos objetivos", acrescentou Xu. "O primeiro é usar nossos transistores para realizar testes in vivo em corações ou cérebros intactos. O segundo é registrar as atividades intracelulares dos neurônios em diferentes locais neuronais. Finalmente, como algumas células endócrinas também são eletrogênicas, o que significa que suas atividades elétricas são relacionados a outros eventos fisiológicos, eles também são de grande interesse." + Explorar mais

Sensores eletrônicos 'pop-up' podem detectar quando células cardíacas individuais se comportam mal

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