Изучение клеток сердца с помощью нановулканов

Исследователи из EPFL и Бернского университета разработали прорывной метод для изучения электрических сигналов клеток сердечной мышцы. Технология имеет множество потенциальных применений в фундаментальных и прикладных исследованиях, например, для улучшения поиска механизмов, лежащих в основе сердечных аритмий.

Возбудимые клетки, такие как нейроны и кардиомиоциты, используют для коммуникации электрические сигналы — потенциалы действия. Учёные изучают эти сигналы с помощью электродов, размещённых снаружи или внутри клеточной мембраны (внеклеточная и внутриклеточная регистрация).

Исследователи из лаборатории LMIS4 EPFL и лаборатории клеточной оптики II Бернского университета совместно разработали новый микроэлектрод, который самостоятельно проникает через клеточную мембрану. В составе массива он позволяет отслеживать распространение электрической активности в тканях. Результаты опубликованы в Nano Letters.

Передовая технология

Современные системы регистрации электрической активности клеток имеют ограничения. Внеклеточные мультиэлектродные массивы регистрируют сигналы, лишь косвенно связанные с потенциалами действия, и мало говорят об их истинной форме.

Для прямого измерения потенциалов действия с момента работ Сильвио Вейдмана (70 лет назад) учёные получают внутриклеточный доступ с помощью микроэлектродов. Мембрану можно открыть под электродом механически или с помощью электроопорации (импульсы высокого напряжения). Последний метод недавно использовался с наноструктурированными электродами в форме микроскопических грибов. Однако этот подход неидеален, так как интерфейс между мембраной и наноструктурой нестабилен, что даёт лишь краткое окно для записи (обычно несколько секунд или минут).

Решение, вдохновлённое природой

Команда объединила лучшие черты существующих технологий и создала электрод в форме вулкана, чтобы обойти эту проблему. «Мы разработали электрод, который проникает через мембрану самостоятельно, без необходимости в электроопорации», — говорит ведущий автор работы Бенуа Десбиолль. «Мы также использовали предыдущие исследования нашей лаборатории, показывающие, что имитация клеточной мембраны стабилизирует клеточно-электродный интерфейс».

Новый электрод, названный нановулканом, состоит из трёх частей:

1. Кратер (ободок): золотое кольцо того же размера, что и клеточная мембрана, покрытое теми же биомолекулами.
2. Внутри кратера: платиновый электрод для сбора электрических сигналов.
3. Внешняя часть: изолирующее стекло.

«Когда клетка размещается на структуре, острые края прокалывают мембрану, и электрод проникает внутрь», — объясняет Десбиолль. «Мембрана не восстанавливается, а закрепляется на золотом кольце, создавая идеальные условия для записи электрической активности».

Перспективные применения

Используя массивы нановулканов, учёные могут одновременно измерять потенциалы действия в нескольких точках культуры клеток, получая богатые данные о взаимодействии кардиомиоцитов в пространстве.

«Для таких электрофизиологов, как я, эта технология — почти что воплощение мечты», — говорит соавтор работы Стефан Рор. «Мы можем изучать, как распространяющиеся потенциалы действия меняют свою форму в зависимости от структуры ткани и патологических состояний. Эти знания жизненно важны для более глубокого понимания механизмов, ведущих к потенциально фатальным аритмиям».

Потенциал нановулканов выходит за рамки кардиоэлектрофизиологии. Электрод также крайне прост в изготовлении. В настоящее время проводятся тесты для проверки его работы с нейронами и другими возбудимыми клетками. По словам исследователей, эта конструкция открывает дверь в клетку и может использоваться для внутриклеточной электрохимии. Технология также может быть интересна фармацевтической промышленности для тестирования реакции клеток на лекарства и разработки целевых терапий.