EPFL和伯尔尼大学研究人员开发了一种突破性方法来研究心肌细胞的电信号。这项技术在基础和应用研究中有许多潜在的应用，例如改进对心律失常潜在机制的研究。细胞是人体中最小的活单位，可兴奋的细胞，如神经元和心肌细胞，使用电信号，所谓的动作电位，相互交流。科学家们使用放置在细胞膜外部或内部的电极来研究这些信号，这些信号是正常大脑和心脏功能的基础，这种方法被称为细胞外和细胞内记录。
由Philippe Renaud领导的EPFL微系统实验室4(LMIS4)和由Stephan Rohr领导的伯尔尼大学细胞光学II实验室(Laboratory Of Cellular Optics II)研究人员联手开发了一种新的微电极，这种微电极可以在没有辅助的情况下穿透细胞膜，当放置在阵列中时，使科学家能够跟踪电活动在组织中的传播，其研究发现已经发表在《纳米快报》期刊上。
尖端技术
虽然这些年来细胞电活动的记录系统已经有了显著的发展，但仍然有局限性。使用放置在膜外的电极的非侵入性细胞外多电极阵列报告仅与动作电位间接相关的信号。例如很少告诉科学家关于动作电位的实际形状（细胞膜电位的短暂上升）这会导致心脏跳动。自从70年前伯尔尼大学生理学系的Silvio Weidmann首次测量细胞动作电位以来，科学家们一直通过使用微电极获得细胞内通道来测量这些信号。
这些电极可以插入细胞内，也可以放置在细胞膜上，然后在电极嘴下面打开膜。这可以通过机械或电穿孔(将高压脉冲施加到电极)来完成。例如，后一种技术被用来通过微观蘑菇形状的纳米结构电极获得细胞内通道。然而，这种方法并不理想，因为细胞膜和纳米结构之间的界面不稳定，只留下一个短暂的窗口（通常最多几秒钟或几分钟）让科学家记录细胞的动作电位。
受自然启发
EPFL和伯尔尼大学研究团队利用现有技术的最佳特性，提出了一个巧妙的火山形状设计来解决这个问题。LMIS4的博士助理、该出版物的主要作者伯努瓦·德比奥莱斯(Benoît Desbiolles)说：通过重新设计几何形状和材料，开发了一种无需辅助就能穿透细胞膜的电极，从而消除了电穿孔的需要，同时还利用了实验室之前的研究，这表明模拟细胞膜可以稳定细胞（电极界面）。
这种被称为纳米火山的新型电极由三部分组成，第一个是火山口的边缘。它由一个金环组成，金环的大小与细胞膜本身相同，并且内衬着与细胞膜本身相同的生物分子。火山口内部放置着一个铂电极，用于拾取电信号。外面被中空玻璃包围着。Desbiolles解释说表示：一旦把一个细胞放在结构上，它就开始下沉，锐利的边缘会刺穿膜，电极就会穿透细胞。膜不是改造，而是将自己固定在金环上，创造了记录细胞电活动的理想条件。
有前途的应用
使用纳米火山阵列，科学家可以同时测量细胞培养中多个位置的动作电位，为心肌细胞在空间中如何相互作用提供了丰富的见解。该出版物的共同作者斯蒂芬·罗尔(Stephan Rohr)说：对于像我这样的电生理学家来说，这项技术有点像梦想成真。除了测量单个细胞的动作电位外，现在还可以研究传播的动作电位是如何根据组织结构和病理条件改变其形状。这一知识对于更深入地理解导致潜在致命心律失常的机制至关重要。
纳米火山的潜在应用远远超出了心脏电生理学，除了其突破性的设计，而且电极也非常容易制造。目前正在进行测试，看看它是否同样适用于神经元和其他可兴奋的细胞类型。这个设计也为其他科学学科带来了希望：纳米火山打开了一扇通往细胞的门，可以想象在里面进行电化学。这项技术也可能对制药行业有吸引力，允许科学家测试细胞对药物的反应，并从长远来看，开发有针对性的治疗方法。
博科园｜研究/来自：洛桑联邦理工学院
参考期刊《纳米快报》
DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b02209
