«Выскакивающие» сенсоры для измерения электрической активности внутри клеток сердца

Инженеры из Калифорнийского университета в Сан-Диего создали устройство с микроскопическими «выскакивающими» сенсорами, которые проникают внутрь клеток сердца, не повреждая их, и отслеживают электрическую активность.

Ключевые возможности устройства

• Прямое измерение движения и скорости электрических сигналов внутри одной клетки сердца (впервые) и между несколькими клетками.
• Первое в мире измерение таких сигналов внутри клеток в 3D-тканевых конструкциях.
• Мониторинг сигналов от нескольких клеток одновременно и даже с двух точек внутри одной клетки.

Устройство и принцип работы

Устройство, описанное в Nature Nanotechnology, представляет собой 3D-массив микроскопических полевых транзисторов (FET), заостренных для проникновения через мембраны. Транзисторы покрыты фосфолипидным бислоем, чтобы оставаться внутри клеток долгое время.

Изготовление происходит по принципу «pop-up книги»:

1. FET изготавливаются как 2D-структуры.
2. Их крепят на предварительно растянутую эластомерную подложку.
3. При ослаблении подложки структура складывается в 3D, и сенсоры «выскакивают», готовые к проникновению в клетки.

Результаты и значение

В экспериментах на культурах клеток и искусственных сердечных тканях устройство позволило определить направление и скорость распространения сигнала.

• Важное наблюдение: сигналы внутри отдельных клеток сердца распространяются почти в 5 раз быстрее, чем сигналы между клетками.
• Большая разница в скоростях может указывать на проблему в соединении клеток, например, из-за фиброза.
• «Мы можем увеличить масштаб до клеточного уровня... увидеть, какие клетки работают со сбоями, какие части не синхронизированы», — отмечает старший автор Шэн Сюй.

Будущее применение

Устройство открывает возможности для:

• Подробного изучения механизмов аритмии, инфаркта, фиброза.
• Тестирования новых лекарств и их влияния на клетки и ткани сердца.
• Исследования сигналов между органеллами в клетке.
• Изучения электрической активности внутри нейронов (следующий этап работы).
• Долгосрочная цель — создание имплантируемого устройства для работы in vivo на поверхности бьющегося сердца или коры головного мозга. Для этого требуется оптимизация массива сенсоров и интеграция алгоритмов ИИ для обработки сигналов.