Gli ingegneri dell’Università della California, San Diego, hanno sviluppato un nuovo potente strumento che monitora l’attività elettrica all’interno delle cellule cardiache, utilizzando minuscoli sensori “pop-up” che entrano nelle cellule senza danneggiarle. Il dispositivo misura direttamente il movimento e la velocità dei segnali elettrici che viaggiano all’interno di una singola cellula cardiaca, la prima, nonché tra più cellule cardiache. È anche il primo a misurare questi segnali all’interno di cellule di tessuto 3D.

Il dispositivo pubblicato il 23 dicembre sulla rivista La nanotecnologia della naturaPotrebbe consentire agli scienziati di ottenere informazioni più dettagliate su disturbi cardiaci e malattie come l’aritmia (ritmo cardiaco anomalo), gli attacchi di cuore e la fibrosi cardiaca (indurimento o ispessimento del tessuto cardiaco).

“Studiare come un segnale elettrico si propaga tra cellule diverse è importante per comprendere il meccanismo della funzione cellulare e della malattia”, ha affermato il primo autore Yue Zhou, che ha recentemente ricevuto un dottorato di ricerca. in Scienza e Ingegneria dei Materiali presso l’Università della California, San Diego. Le irregolarità in questo segnale potrebbero essere un segno di un’aritmia, per esempio. Se il segnale non si propaga correttamente da una parte all’altra del cuore, allora parte del cuore non può ricevere il segnale, quindi non può contrarsi. “

“Utilizzando questo dispositivo, possiamo ingrandire il livello cellulare e ottenere un’immagine ad alta risoluzione di ciò che sta accadendo nel cuore; possiamo vedere quali cellule non funzionano correttamente e quali parti no”, ha affermato l’autore senior Sheng Shu, professore di nanoingegneria presso l’Università della California, San Diego Jacobs School of Engineering. Sincronizzato con altri segmenti, identificando dove il segnale è debole. “Queste informazioni possono essere utilizzate per aiutare a informare i medici e consentire loro di fare una diagnosi migliore”.

Il dispositivo è costituito da una matrice tridimensionale di microscopici transistor ad effetto di campo, o FET, che hanno la forma di punte affilate e appuntite. Queste piccole cellule molecolari penetrano nelle membrane cellulari senza danneggiarle e sono abbastanza sensibili da rilevare segnali elettrici, anche molto deboli, direttamente all’interno delle cellule. Per evitare di essere visti come una sostanza estranea e di rimanere all’interno delle cellule per lunghi periodi di tempo, i FET sono incapsulati in un doppio strato fosfolipidico. I FET possono monitorare i segnali da più celle contemporaneamente. Possono persino monitorare i segnali in due siti diversi all’interno della stessa cella.

“Questo è ciò che rende questo dispositivo così unico”, ha detto Joe. “Può avere due sensori FET che penetrano all’interno di una singola cella – con invasività minima – e ci consentono di vedere in che modo si propaga il segnale e quanto è veloce. Queste informazioni dettagliate sulla trasmissione del segnale all’interno di una singola cella non sono ancora note. “

Per costruire il dispositivo, il team ha prima fabbricato i FET come forme 2D, quindi ha attaccato punti specifici di queste forme su un foglio di gomma prestirato. I ricercatori hanno quindi svitato la piastra flessibile, causando l’inversione del dispositivo e la piegatura dei FET in una struttura tridimensionale in modo che potessero penetrare nelle cellule.

“È come un libro pop-up”, ha detto Joe. “Inizia come una struttura bidimensionale e con una forza di pressione si apre in alcune parti e diventa una struttura tridimensionale”.

Il team ha testato il dispositivo su colture cellulari di muscolo cardiaco e su tessuto cardiaco ingegnerizzato in laboratorio. Gli esperimenti prevedevano il posizionamento di una coltura cellulare o tissutale sopra il dispositivo e quindi il monitoraggio dei segnali elettrici rilevati dai sensori FET. Sapendo quali sensori hanno rilevato per primi il segnale e quindi misurando il tempo impiegato dagli altri sensori per rilevare il segnale, il team può determinare in quale direzione e velocità si sta spostando il segnale. I ricercatori sono stati in grado di farlo per i segnali che viaggiano tra le cellule vicine e, per la prima volta, per i segnali che viaggiano all’interno di una singola cellula del muscolo cardiaco.

Ciò che rende tutto questo ancora più eccitante, ha detto Xu, è che questa è la prima volta che gli scienziati sono stati in grado di misurare i segnali intracellulari nelle strutture dei tessuti 3D. Finora, in questi tipi di tessuti sono stati misurati solo segnali extracellulari, cioè segnali al di fuori della membrana cellulare. Ora, possiamo effettivamente catturare segnali all’interno di cellule incorporate in un tessuto 3D o organoide.

Gli esperimenti del team hanno portato a un’osservazione interessante: i segnali viaggiano all’interno delle singole cellule cardiache circa cinque volte più velocemente dei segnali tra più cellule cardiache. Lo studio di questo tipo di dettagli può rivelare informazioni sulle anomalie cardiache a livello cellulare, ha detto Joe. Supponiamo di misurare la velocità di un segnale in una cella e la velocità di un segnale tra due celle. Se c’è una differenza molto grande tra queste due velocità, cioè se la velocità intercellulare è molto più piccola della velocità intracellulare, è probabile che ci sia qualcosa di sbagliato nella giunzione intercellulare, probabilmente a causa della fibrosi».

Gu ha aggiunto che i biologi potrebbero anche utilizzare questo dispositivo per studiare la trasmissione di segnali tra diversi organelli in una cellula. Un dispositivo come questo potrebbe essere utilizzato anche per testare nuovi farmaci e vedere come influenzano le cellule e i tessuti cardiaci.

Il dispositivo sarebbe anche utile per studiare l’attività elettrica all’interno dei neuroni. Questa è la prossima direzione che il team sta cercando di esplorare. In futuro, i ricercatori prevedono di utilizzare i loro dispositivi per registrare l’attività elettrica in tessuti biologici reali in vivo. Xu immagina un dispositivo impiantabile che può essere posizionato sulla superficie di un cuore pulsante o sulla superficie della corteccia. Ma il dispositivo è ancora lontano da quella fase. Per arrivarci, i ricercatori devono fare più lavoro, inclusa la messa a punto del layout dei sensori FET, l’ottimizzazione delle dimensioni e dei materiali dell’array FET e l’integrazione di algoritmi di elaborazione del segnale assistita dall’intelligenza artificiale nel dispositivo.

Ricerca: “Array di transistor 3D per la registrazione intra e intercellulare”. I coautori includono Chunfeng Wang, Namyeon Kim, Jingchen Zhang, Cui Min Wang, Jennifer Stowe, Jing Mo, Muyang Lin, Weixin Li, Chung Wang, Hua Gong, Yimou Chen, Yucheng Li, Hongji Ho, Yang Li, Lin Zhang, e Jinlong Huang, Pooja Panic, Liangfang Zhang, Andrew D. McCulloch, UCSD; Ruhollah Nasiri, Samad Ahadian e Ali Khadem Hosseini, Istituto Terasaki per l’innovazione biomedica; Jinfeng Li e Peter J. Burke, Università della California, Irvine; Liu Huan-Hsu, Xiaochuan Dai e Xiaocheng Jiang, Tufts University; Zhiyuan Liu, MIT; e Shengkai Zhang, Università di Harvard.

Questo lavoro è stato sostenuto dal National Institutes of Health (1 R35 GM138250 01).