「グラフェンカメラ」が鼓動する心臓の電場を画像化

カリフォルニア大学バークレー校（UCバークレー）の科学者たちは、常に多用途な驚異の素材であるグラフェンのさらに別の用途を実証し、生きた細胞や組織からの電気信号をリアルタイムで画像化できる高度なセンサーの基礎として使用しました。研究チームの「グラフェンカメラ」は、動作中の鼓動する心臓の電気活動を記録するために使用され、脳に関しては新たなセンシング能力を開拓する可能性もある。

グラフェンは、厚さが原子 1 個分しかない二次元の炭素シートであり、その驚異的な特性リストは、幅広い研究分野の科学者の想像力を魅了してきました。これらの特性には、驚くべき薄さ、高い熱伝導率と電気伝導率、そして最強の人工材料としての地位が含まれます。

カリフォルニア大学バークレー校の科学者たちは、スタンフォード大学の化学者と協力して、この材料がどのように新種の高度な医療センサーの先駆けとなるかを研究しました。この研究は、電場がグラフェンのシートが光を反射または吸収する方法に影響を与える可能性があることを実証した以前の研究に基づいており、研究チームは約1cmのシートを配置することでそれを調査しました。² ニワトリの胚の鼓動する心臓の材料。

「細胞が収縮すると活動電位が発火し、細胞の外側に小さな電場が生成されます」と研究著者のハレ・バルチ氏は説明する。「そのセルの真下にあるグラフェンの吸収が変更されるため、グラフェンの広い領域でその位置から戻ってくる光の量の変化が見られるでしょう。」

このテクニックには多少の調整が必要でした。当初、鼓動する心筋細胞によって生成される電場は小さすぎて、グラフェンの反射率に顕著な違いを生じませんでした。研究チームは、その下に薄い導波路を追加して光を増幅することに成功した。この導波路は、プリズムを通して照射される入力レーザー光を処理し、デバイスから出る前に光をグラフェンで約100回反射させる。

「これについての 1 つの考え方は、光がこの小さな空洞を通って伝播する際にグラフェンで反射する回数が増えるほど、光がグラフェンの応答から受ける影響が大きくなり、それによって電場に対して非常に高い感度を得ることができるということです」電圧はマイクロボルトまで下がります」と Balch 氏は言います。

「グラフェンカメラ」、つまり結合導波路増幅グラフェン電場 (CAGE) センサーの概略図

研究チームは、この「グラフェンカメラ」を使用して直径わずか 10 ミクロンの心臓細胞をリアルタイムで研究し、心臓細胞が鼓動することで生成する微弱な電場の光学画像を生成することができました。電極と化学色素を使用して細胞内のこの電気活動を測定することはできますが、それらは特定の 1 つの場所でのみ測定できるのに対し、シートは組織の全領域にわたる電圧を測定します。研究チームは、細胞の電気信号を記録しながら染色組織を同時に画像化することで、これらのセンシング技術を組み合わせることを構想している。

鼓動する心臓の一連の画像。各画像は 5 ミリ秒ごとに区切られ、変化する電場がグラフェンシート上にさまざまなパターンとして表示されます。

「サンプルの全領域を簡単に画像化できることは、あらゆる種類の細胞が関与するニューラルネットワークの研究に特に役立つ可能性があります」と、この研究の筆頭著者であるスタンフォード大学のアリスター・マクガイア氏は言う。「蛍光標識された細胞システムがある場合、特定の種類のニューロンのみをターゲットにしている可能性があります。私たちのシステムを使用すると、すべてのニューロンとそのサポート細胞の電気活動を非常に高い整合性で捕捉できるようになり、人々がこれらのネットワークレベルの研究を行う方法に大きな影響を与える可能性があります。」

「グラフェンカメラ」、または結合導波路増幅グラフェン電場 (CAGE) センサーは、臨床試験に先立って心筋で候補薬剤をテストし、それらが異常な変化を引き起こすかどうかを確認するために使用できる可能性があります。これは、筋肉タンパク質を阻害する薬剤をニワトリの胚に投与すると、心臓の鼓動が停止する一方、電場には影響がないことを研究チームが観察することで実証された。

このデバイスは、脳の直接センシングにおける新たな可能性を開く可能性もあります。電極アレイは今日、脳細胞の電気活動を研究するために使用されていますが、それを行うことができるのは数百の場所だけです。強力なグラフェンシートを表面に配置すると、継続的な電気活動のより広範な画像を得ることができます。

「このプロジェクトについて私にとって驚くべきことの 1 つは、電場が化学相互作用や生物物理学的相互作用を媒介し、自然界のあらゆる種類のプロセスを媒介しているのに、私たちはそれらを決して測定していないということです。私たちは電流を測定し、電圧も測定します」とバルチ氏は言います。「電場を実際に画像化する機能により、これまでほとんど洞察できなかったモダリティを確認できるようになります。」

研究は雑誌に掲載されました ナノの手紙, 一方、下のビデオは、デバイスによって生成された一連の画像を示しており、ニワトリの胎児の心臓の 1 回の鼓動を示しています。