Một 'Máy Ảnh' Graphene Ghi Lại Hoạt Động Của Tế Bào Tim Đang Sống

Khi Allister McGuire đang làm việc cho bằng tiến sĩ của mình tại Đại học Stanford, anh ấy đã mua rất nhiều quả trứng gà đã được thụ tinh từ Trader Joe's. McGuire không nghiên cứu về gà; anh ấy là một nhà hóa học, và anh ấy mua trứng vì anh ấy đang phát triển một thiết bị để hình ảnh hoạt động điện trong trái tim đập. Trái tim phôi gà chỉ đơn giản là phù hợp cho việc thử nghiệm thôi. 

Có lẽ không phải từ những quả trứng cụ thể này. “Những quả trứng đó không điều chỉnh được,” anh ấy nhớ lại.

Trong một thử nghiệm chứng minh nguyên tắc được mô tả trong tạp chí Nano Letters vào tháng 6, McGuire và một nhóm nhà vật lý từ UC Berkeley đã chi tiết cách họ tạo ra và cuối cùng đã thành công trong việc sử dụng một “máy ảnh” để ghi lại hoạt động điện trong các tế bào đang sống—điều này có thể khó để theo dõi trên quy mô lớn trong thời gian thực bằng các phương pháp khác.

Đây không phải là một máy ảnh quang học; máy ảnh này được làm từ nguyên tử carbon và laser. Để xây dựng nó, nhóm đã bắt đầu từ một tờ carbon cực mỏng, chỉ bao gồm một lớp nguyên tử sắp xếp theo mô hình bảng mật ong. Đây được gọi là graphene. Khả năng phản xạ của graphene thay đổi khi nó tiếp xúc với các trường điện: Nó có thể trở nên giống như một gương phản chiếu ánh sáng rất tốt hoặc giống như một vật thể tối mà không phản chiếu ánh sáng.

Để kiểm tra khả năng ghi lại hoạt động điện của mô sống, nhóm đã sử dụng cơ bắp tim được nuôi cấy từ phôi gà. (Cuối cùng, McGuire nhận ra rằng trứng từ một nhà phân phối dược phẩm sinh học hoạt động tốt hơn.) Các nhà nghiên cứu đặt mô cơ tim đang đập lên trên tờ graphene và quan sát xem tín hiệu điện—một điện áp và một trường điện—quản lý nhịp tim có thể làm thay đổi khả năng phản xạ của tờ graphene. Mỗi khi có điện áp phát sinh bên trong một tế bào, họ tin rằng trường điện kèm theo sẽ làm thay đổi lượng ánh sáng phản chiếu từ graphene phía dưới nó. Sau đó, họ đặt một thiết bị charge-coupled cực kỳ nhạy cảm chuyển đổi các đặc tính của ánh sáng thành tín hiệu kỹ thuật số, họ cuối cùng đã tạo ra hình ảnh về hoạt động điện của tim.

Các nhà sinh học đã lâu đã quan tâm đến việc đo lường hoạt động điện không chỉ trong cơ tim sống mà còn trong tế bào não. Trong những mô này, các tế bào phải sử dụng tín hiệu điện để giao tiếp hoặc đồng bộ hành vi của họ. “Mỗi tế bào đều có một màng xung quanh nó, và màng này được làm từ một chất cách điện nhờn—từ lipit. Nước, các dung dịch nước trên cả hai bên của màng, đều là các chất dẫn điện cơ bản,” Adam Cohen, giáo sư hóa học, sinh học hóa và vật lý tại Đại học Harvard, người không phải là một phần của thí nghiệm, nói. “Nhiều tế bào sử dụng điện áp qua màng như một cách để gửi tín hiệu rất nhanh và điều chỉnh hoạt động.”

Các nhà khoa học có thể đo những đo lường này bằng các mảng vi điện cực—mạng lưới các ống nhỏ—được chèn vào màng tế bào. Nhưng phương pháp này có hạn chế. Các nhà nghiên cứu chỉ có thể xác định điện áp trong các tế bào cụ thể đã được đặt điện cực vào.

“Ghi lại điện áp của một điểm—ví dụ, trong não—giống như cố gắng xem một bộ phim bằng cách nhìn vào một pixel trên màn hình máy tính của bạn. Bạn có thể nhận biết khi điều gì đó đang xảy ra, nhưng bạn không thực sự nhìn thấy cốt truyện, bạn không thể nhìn thấy các liên kết thông tin tại các điểm khác nhau trong không gian,” Cohen nói. Thiết bị graphene mới tạo ra một hình ảnh đầy đủ vì nó ghi lại điện áp tại mọi điểm nơi mô và nguyên tử carbon tiếp xúc.

“Những gì chúng tôi có thể làm bằng cách sử dụng thiết bị graphene của chúng tôi là hình ảnh toàn bộ bề mặt cùng một lúc,” Halleh Balch, tác giả chính của nghiên cứu, người là học viên tiến sĩ tại Berkeley trong thời gian thực hiện thí nghiệm. (Hiện tại, cô là một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Stanford.) Điều này một phần là kết quả của tính chất đặc biệt của graphene. “Graphene cực kỳ mỏng, điều này làm cho nó cực kỳ nhạy cảm với môi trường cục bộ, vì gần như mọi phần của bề mặt của nó đều là giao diện,” cô nói. Graphene cũng dẫn điện tốt và khá bền, điều này đã khiến nó trở thành một người bạn thí nghiệm lý tưởng từ lâu đối với các nhà vật lý lượng tử và nhà khoa học vật liệu.

Nhưng trong lĩnh vực cảm biến sinh học, nó là một người mới. “Phương pháp này khá thú vị. Nó mới lạ, với việc sử dụng graphene,” Gunther Zeck, một nhà vật lý tại Đại học Kỹ thuật Vienna, người không liên quan đến nghiên cứu nói. Anh đã làm việc với vi điện cực nhỏ trong quá khứ, và anh nghi ngờ rằng thiết bị dựa trên graphene có thể trở thành đối thủ thực sự cho chúng trong tương lai. Zeck nói rằng việc sản xuất các mảng vi điện cực lớn có thể rất phức tạp và tốn kém, nhưng việc làm các tấm graphene lớn có thể trở nên thực tế hơn. Thiết bị mới có khoảng 1 centimet vuông, nhưng các tấm graphene lớn hàng nghìn lần cỡ lớn đã có sẵn thương mại. Bằng cách sử dụng chúng để làm “máy ảnh,” các nhà khoa học có thể theo dõi xung điện trên các cơ quan lớn hơn.

Trong hơn một thập kỷ, các nhà vật lý đã biết rằng graphene nhạy cảm với điện áp và trường điện. Nhưng việc kết hợp sự nhận thức đó với những thực tế lộn xộn của các hệ thống sinh học đã đặt ra những thách thức trong thiết kế. Ví dụ, do đội không chèn graphene vào các tế bào, họ phải tăng cường tác động của trường điện của tế bào lên graphene trước khi ghi lại nó.

Đội ngũ dựa vào kiến thức về nanophotonics—công nghệ sử dụng ánh sáng ở tỷ lệ nano—để dịch các thay đổi nhẹ trong khả năng phản xạ của graphene thành một hình ảnh chi tiết về hoạt động điện của trái tim. Họ lớp graphene lên trên một waveguide, một hình chóp thủy tinh phủ lớp silicon và tantalum oxides, tạo ra một con đường ziczac cho ánh sáng. Khi ánh sáng đụng vào graphene, nó đi vào waveguide, được phản xạ trở lại graphene, và tiếp tục như vậy. “Điều này đã tăng cường độ nhạy mà chúng tôi có, vì bạn đi qua bề mặt graphene nhiều lần,” Jason Horng, tác giả cùng thực hiện nghiên cứu và đồng nghiệp của Balch trong khóa học tiến sĩ của anh. “Nếu graphene có thay đổi về khả năng phản xạ, thì thay đổi đó sẽ được tăng cường.” Sự phóng đại này có nghĩa là thay đổi nhỏ trong khả năng phản xạ của graphene có thể được phát hiện.

Đội ngũ cũng đã có thể ghi lại chuyển động cơ học của cả trái tim—sự co bóp của tất cả các tế bào vào đầu nhịp đập và sau đó là sự thư giãn của chúng. Khi các tế bào tim đập, chúng kéo lê trên tấm graphene. Điều đó khiến cho ánh sáng rời khỏi bề mặt của graphene bị phản xạ một chút, ngoài những thay đổi mà trường điện của tế bào đã gây ra trên khả năng phản xạ của nó. Điều này dẫn đến một quan sát thú vị: Khi các nhà nghiên cứu sử dụng một loại thuốc ức chế cơ bắp gọi là blebbistatin để ngăn các tế bào di chuyển, ghi âm của họ dựa trên ánh sáng đã cho thấy rằng trái tim đã dừng lại, nhưng điện áp vẫn lan truyền qua các tế bào của nó.

Một trong những ứng dụng trong tương lai của "máy ảnh" graphene có thể là kiểm tra các hợp chất thuốc tương tự, McGuire cho biết. “Có một thế giới lớn về các phép đo an toàn dược phẩm, nơi họ muốn hiểu rõ cách một loại thuốc tiềm năng mới ảnh hưởng đến tế bào tim,” anh nói. “Hai điều quan trọng mà họ đang tìm kiếm là cách nó ảnh hưởng đến khả năng co rút—sức mạnh và tần suất nhịp đập của các tế bào—và cách nó ảnh hưởng đến tiềm năng hành động [điện áp].”

Hầu hết các phương pháp hiện tại, Balch thêm vào, yêu cầu việc sử dụng đồng thời hai thiết bị, như một điện cực và một cảm biến căng, để trả lời cả hai câu hỏi cùng một lúc. Thiết bị của đội của cô, ngược lại, ghi lại tất cả thông tin đó một mình.

Mặc dù graphene có khả năng sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong việc cảm nhận sinh học, thiết kế mới sẽ cần sự hợp tác giữa vật lý và sinh học hơn nữa trước khi có thể sử dụng thực tế ngoài phòng thí nghiệm. “Graphene và các vật liệu hai chiều khác có cơ hội tuyệt vời cho các ứng dụng biến thiên,” Dmitry Kireev, một nhà nghiên cứu về điện tử sinh học tại Đại học Texas tại Austin, người không tham gia vào nghiên cứu, nói. “Bạn có thể kết hợp chúng, bạn có thể làm cho chúng biến thiên và linh hoạt, và chúng không thay đổi các tính chất của chúng. Bạn có thể có chúng trong cơ thể, trên da, trong tất cả các ứng dụng khác nhau.” Trong nghiên cứu của mình, anh thậm chí còn thiết kế các “hình xăm” graphene có thể đeo để đo nhịp tim và mức oxy trong máu.

Kireev cho biết rằng graphene ít độc hại hơn nhiều thiết bị chip silicon hiện tại, điều này khiến nó trở thành ứng cử viên tốt cho các cấy ghép được bệnh nhân đeo trong thời gian dài để ghi lại hoạt động điện trong tim hoặc não của họ. Bởi vì graphene mỏng nhưng không dễ vỡ, anh nói, nó có thể phù hợp với cơ thể con người, vì khó có thể kích thích hệ thống miễn dịch cố gắng tạo mô sẹo xung quanh nó. “Cơ thể hiểu khi có điều gì đó cứng bên trong nó, điều đó không phải là của bạn, và nó cố gắng đẩy nó ra ngoài,” Kireev giải thích. “Graphene mỏng đến nỗi cơ thể không cảm nhận được nó là ngoại lai.”

Tuy nhiên, độ phức tạp của thiết bị mới—dựa trên laser và các thành phần khác cần thiết để điều khiển ánh sáng—là một hạn chế đối với Kireev. Anh ta cho rằng khó có thể tưởng tượng được cách mà toàn bộ “máy ảnh” có thể tương tác với bệnh nhân để, ví dụ, xác định hoạt động điện liên quan đến nhịp tim không đều, hoặc để nghiên cứu các tác động dài hạn của thuốc tim. Mặc dù khả năng hình ảnh hóa tất cả tế bào tim cùng một lúc của thiết bị sẽ là một điểm mạnh, kích thước và sự phức tạp của nó sẽ làm cho việc sử dụng trong cả hai trường hợp trở nên khó khăn,” anh nói.

Horng đồng tình, nhưng anh ấy nghĩ rằng prisma cồng kềnh dưới lớp graphene có thể được thay thế bằng một thành phần điều khiển ánh sáng mỏng hơn để làm cho thiết bị nhỏ gọn hơn, có thể nhỏ đủ để cầm tay hoặc thậm chí được cắm vào não. Anh ấy cũng nghĩ rằng điều chỉnh các tính chất của hướng dẫn sóng có thể làm cho hình ảnh được tạo ra bởi thiết bị trở nên chi tiết và sắc nét hơn.

Tuy vậy, bất kỳ bước tiến nào tiếp theo có lẽ sẽ đến từ một đội ngũ khác. Ba nhà nghiên cứu trong bài báo đã tốt nghiệp và chuyển sang các dự án mới. McGuire hiện đang làm việc như một kỹ sư thiết bị y tế, và Horng cùng Balch đều đang thiết kế cảm biến dựa trên nanophotonics cho các ứng dụng bên ngoài sinh học. Họ vẫn phấn khích với thiết kế của mình và đang chờ xem liệu người kế nhiệm tại Stanford và Berkeley có tiến xa hơn không. “Tôi rất yêu cầu ý tưởng này,” McGuire nói. “Và tôi nghĩ sẽ rất tuyệt nếu có ai đó tiếp tục phát triển nó.”

Câu chuyện hay hơn từ MYTOUR

• 📩 Cập nhật mới nhất về công nghệ, khoa học, và nhiều hơn nữa: Nhận bản tin của chúng tôi!
• Người huyền thoại trong lĩnh vực dịch vụ gọi xe cố gắng vượt qua nền kinh tế đồng nghiệp
• Giúp đỡ! Làm thế nào để tôi chấp nhận rằng mình đang kiệt sức?
• Điều bạn cần để chỉnh sửa video chất lượng studio tại nhà
• Vụ sập căn hộ ở Florida là dấu hiệu của sự vỡ vụn trong ngành bê tông
• Cách mạng tình báo qua sợi quang ngầm theo dõi con người ở trên
• 👁️ Khám phá trí tuệ nhân tạo như chưa từng có với cơ sở dữ liệu mới của chúng tôi
• 🎮 MYTOUR Games: Nhận các mẹo mới nhất, đánh giá, và nhiều hơn nữa
• 💻 Nâng cấp công việc của bạn với các laptop, bàn phím, lựa chọn nhập liệu bằng văn bản và tai nghe chống ồn được yêu thích của đội ngũ Gear của chúng tôi