Science子刊：解锁更丰富的细胞内记录

在每一次心跳和大脑信号的背后是一个巨大的电活动管弦乐队。目前的电生理学观察技术大多局限于细胞外记录，来自卡耐基梅隆大学和意大利理工学院的一组有远见的研究人员已经确定了一种灵活、低成本和生物兼容的平台，可以实现更丰富的细胞内记录。

该组织独特的“大洋彼岸”合作关系始于两年前，当时是在生物电子冬季学校(BioEl)。该技术已发展成为今天发表在《科学进展》(Science Advances)杂志上的研究成果，详细介绍了一种新型微电极平台，利用三维模糊石墨烯(3DFG)在高信噪比的情况下，实现更丰富的心脏动作电位细胞内记录。这一进展可能会彻底改变正在进行的神经退行性疾病和心脏疾病的研究，以及新的治疗策略的开发。

生物医学工程和材料科学与工程副教授Tzahi Cohen-Karni是这项工作的关键领导者，他的整个职业生涯都在研究石墨烯的特性、效应和潜在应用。现在，他正在一个不同的方向上采取合作的步骤，利用垂直生长的非凡碳基材料(3DFG)进入细胞的细胞内室，并记录细胞内的电活动。

由于其独特的电学特性，石墨烯作为碳基生物传感器件的一个有前途的候选材料脱颖而出。最近的研究表明，石墨烯生物传感器已成功应用于监测心肌细胞或心脏细胞在细胞外的电活动，或换句话说，记录动作电位的细胞外活动。另一方面，由于工具无效，细胞内记录仍然有限。直到现在。

科恩-卡尼解释说:“我们的目标是记录整个管弦乐——看到所有穿过细胞膜的离子电流——而不仅仅是细胞外记录所显示的管弦乐子集。”“增加细胞内记录的动态维度对于药物筛选和毒性分析非常重要，但这只是我们工作的一个重要方面。”

“剩下的就是技术进步了，”科恩-卡尼继续说道。“3DFG便宜、灵活，是一个全碳平台;涉及任何金属。我们可以用这种材料生成晶片大小的电极，在数秒内实现细胞内多位点记录，这是现有工具的显著改进，如膜片钳，需要数小时的时间和专业技术。”

那么，它是如何工作的呢?利用意大利理工学院的研究人员Michele Dipalo和Francesco De Angelis开发的一种技术，使用一种超高速激光进入细胞膜。通过将短脉冲激光照射到3DFG电极上，细胞膜上的一块区域在某种程度上变得多孔，从而可以记录细胞内的电活动。然后，培养心肌细胞，进一步研究细胞之间的相互作用。

有趣的是，3DFG是黑色的，并且吸收了大部分的光，从而产生了独特的光学特性。结合其泡沫状结构和巨大的暴露表面积，3DFG具有许多理想的特性，需要制造小型生物传感器。

“我们开发了一种更智能的电极;一个电极，让我们可以更好地接触，”科恩-卡尼强调。“我的最大优势是，我们可以获得这种丰富的信号，能够研究细胞内的重要过程。拥有这样的工具将彻底改变我们研究治疗方法对终末期器官(如心脏)的影响的方式。”

随着这项工作的推进，该团队计划将其研究成果应用于大规模的细胞/组织界面，以更好地理解组织发育和化合物的毒性(如药物毒性)。

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