Нановольтметр измеряет электрические поля глубоко внутри клеток

Беспроводной наноразмерный вольтметр, разработанный в Мичиганском университете, меняет общепринятые представления о физической среде внутри клеток. В будущем он может помочь исследователям в решении сложных медицинских проблем, таких как неконтролируемый рост раковых клеток или восстановление повреждённых нервов.

Устройство диаметром около 30 нанометров в 1000 раз меньше существующих вольтметров. Это фотонный прибор: он использует для работы свет, а не электроны, как электронные устройства.

С его помощью учёные впервые измерили электрические поля глубоко в цитоплазме клетки — ранее это было невозможно. Исследователи могут внедрить одновременно тысячи таких вольтметров по всей клетке. Каждый представляет собой наночастицу, содержащую красители, чувствительные к напряжению. При стимуляции синим светом красители излучают красный и зелёный свет, а соотношение красного к зелёному соответствует напряжённости электрического поля в исследуемой области.

Измерения показали неожиданно высокие электрические поля в цитозоле — гелеобразном материале, составляющем большую часть внутреннего пространства клетки.

«Стандартная парадигма заключалась в том, что в цитозоле нет электрических полей, но во всех 13 измеренных нами областях была высокая напряжённость электрического поля — до 15 миллионов вольт на метр», — заявил профессор Рауль Копельман.

Для сравнения: напряжённость поля в обычном доме составляет 5–10 В/м, а непосредственно под линией электропередачи — 10 000 В/м.

Открытие заставляет учёных задаться вопросом о причинах существования электрических полей внутри клеток. Способность их измерять должна помочь в поиске ответа.

Известно, что изменения электрических полей, связанных с мембранами, могут играть роль в таких заболеваниях, как болезнь Альцгеймера. Исследователи также изучают использование внешне прикладываемых электрических полей для стимуляции заживления ран, роста и регенерации нервов.

В Мичиганском университете нейротоксиколог Мартин Филберт изучает, как внутриклеточные поля меняются при воздействии нервных токсинов, а Рауль Копельман заинтересован в сравнении электрических полей в раковых и нераковых клетках.

Результаты работы с нановольтметром были опубликованы в журнале Biophysical Journal в августе.