Engenheiros da Universidade da Califórnia em San Diego desenvolveram uma nova ferramenta poderosa que monitora a atividade elétrica dentro das células do coração, usando pequenos sensores "pop-up" que penetram nas células sem danificá-las. O dispositivo mede diretamente o movimento e a velocidade dos sinais elétricos que viajam dentro de uma única célula cardíaca – o primeiro – bem como entre várias células cardíacas. É também o primeiro a medir esses sinais dentro das células dos tecidos 3D.
O dispositivo, publicado em 23 de dezembro na revista Nature Nanotechnology , pode permitir que os cientistas obtenham informações mais detalhadas sobre distúrbios e doenças cardíacas, como arritmia (ritmo cardíaco anormal), ataque cardíaco e fibrose cardíaca (enrijecimento ou espessamento do tecido cardíaco).

"Estudar como um sinal elétrico se propaga entre diferentes células é importante para entender o mecanismo da função celular e da doença", disse o primeiro autor Yue Gu, que recentemente recebeu seu Ph.D. em ciência e engenharia de materiais na UC San Diego. "Irregularidades neste sinal podem ser um sinal de arritmia, por exemplo. Se o sinal não puder se propagar corretamente de uma parte do coração para outra, então alguma parte do coração não pode receber o sinal, então não pode se contrair."

"Com este dispositivo, podemos ampliar o nível celular e obter uma imagem de alta resolução do que está acontecendo no coração; podemos ver quais células estão com defeito, quais partes não estão sincronizadas com as outras e identificar onde o sinal é fraco", disse o autor sênior Sheng Xu, professor de nanoengenharia da Escola de Engenharia da UC San Diego Jacobs. "Esta informação pode ser usada para ajudar a informar os médicos e capacitá-los a fazer melhores diagnósticos".

O dispositivo consiste em uma matriz 3D de transistores microscópicos de efeito de campo, ou FETs, que têm a forma de pontas afiadas. Esses minúsculos FETs perfuram as membranas celulares sem danificá-las e são sensíveis o suficiente para detectar sinais elétricos – mesmo os muito fracos – diretamente dentro das células. Para evitar ser visto como uma substância estranha e permanecer dentro das células por longos períodos de tempo, os FETs são revestidos por uma bicamada fosfolipídica. Os FETs podem monitorar sinais de várias células ao mesmo tempo. Eles podem até monitorar sinais em dois locais diferentes dentro da mesma célula.

"É isso que torna este dispositivo único", disse Gu. "Ele pode ter dois sensores FET penetrando dentro de uma célula - com o mínimo de invasividade - e nos permite ver de que maneira um sinal se propaga e quão rápido ele vai. Esta informação detalhada sobre o transporte de sinal dentro de uma única célula tem sido desconhecida até agora."

Para construir o dispositivo, a equipe primeiro fabricou os FETs como formas 2D e, em seguida, ligou pontos selecionados dessas formas em uma folha de elastômero pré-estirada. Os pesquisadores então afrouxaram a folha de elastômero, fazendo com que o dispositivo se dobrasse e os FETs se dobrassem em uma estrutura 3D para que pudessem penetrar nas células.

"É como um livro pop-up", disse Gu. "Ele começa como uma estrutura 2D e, com força de compressão, aparece em algumas partes e se torna uma estrutura 3D."

A equipe testou o dispositivo em culturas de células do músculo cardíaco e em tecidos cardíacos que foram projetados em laboratório. Os experimentos envolviam colocar a cultura de células ou tecido em cima do dispositivo e depois monitorar os sinais elétricos que os sensores FET captavam. Ao ver quais sensores detectaram um sinal primeiro e depois medir o tempo que outros sensores levaram para detectar o sinal, a equipe pôde determinar de que maneira o sinal viajou e sua velocidade. Os pesquisadores conseguiram fazer isso para sinais que viajam entre células vizinhas e, pela primeira vez, para sinais que viajam dentro de uma única célula do músculo cardíaco.

O que torna isso ainda mais emocionante, disse Xu, é que esta é a primeira vez que os cientistas foram capazes de medir sinais intracelulares em construções de tecidos 3D. “Até agora, apenas sinais extracelulares, ou seja, sinais que estão fora da membrana celular, foram medidos nesses tipos de tecidos. disse.

Os experimentos da equipe levaram a uma observação interessante:os sinais dentro das células cardíacas individuais viajam quase cinco vezes mais rápido do que os sinais entre várias células cardíacas. Estudar esses tipos de detalhes pode revelar informações sobre anormalidades cardíacas no nível celular, disse Gu. "Digamos que você está medindo a velocidade do sinal em uma célula e a velocidade do sinal entre duas células. Se houver uma diferença muito grande entre essas duas velocidades - isto é, se a velocidade intercelular for muito, muito menor que a velocidade intracelular - então é provável que algo esteja errado na junção entre as células, possivelmente devido à fibrose", explicou.

Os biólogos também podem usar este dispositivo para estudar o transporte de sinais entre diferentes organelas em uma célula, acrescentou Gu. Um dispositivo como esse também pode ser usado para testar novos medicamentos e ver como eles afetam as células e tecidos do coração.

O dispositivo também seria útil para estudar a atividade elétrica dentro dos neurônios. Esta é uma direção que a equipe está procurando explorar a seguir. Mais adiante, os pesquisadores planejam usar seu dispositivo para registrar a atividade elétrica em tecido biológico real in vivo. Xu imagina um dispositivo implantável que pode ser colocado na superfície de um coração batendo ou na superfície do córtex. Mas o dispositivo ainda está longe desse estágio. Para chegar lá, os pesquisadores têm mais trabalho a fazer, incluindo ajustar o layout dos sensores FET, otimizar o tamanho e os materiais da matriz FET e integrar algoritmos de processamento de sinal assistido por IA no dispositivo. + Explorar mais

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