03.03.2025
На протяжении десятилетий учёные полагались на электроды и красители для отслеживания электрической активности живых клеток. Теперь инженеры из Калифорнийского университета в Сан-Диего обнаружили, что квантовые материалы толщиной всего в один атом могут выполнять эту задачу, используя только свет.
Новое исследование, опубликованное в Nature Photonics, показывает, что эти ультратонкие полупроводники, удерживающие электроны в двух измерениях, можно использовать для измерения биологической электрической активности живых клеток с высокой скоростью и разрешением.
Ученые постоянно ищут более эффективные способы отслеживания электрической активности наиболее возбудимых клеток организма, таких как нейроны, волокна сердечной мышцы и клетки поджелудочной железы. Эти крошечные электрические импульсы управляют всем — от мыслей до движений и метаболизма, но зафиксировать их в реальном времени и в больших масштабах остается сложной задачей.
Традиционная электрофизиология, основанная на использовании инвазивных микроэлектродов, позволяет делать точные записи, но ограничена в масштабируемости. Имплантация электродов в обширные участки тканей может привести к значительным повреждениям, и даже самые современные датчики могут одновременно записывать данные только по нескольким сотням каналов.
Оптические методы, такие как кальциевое картирование, позволяют наблюдать за большими группами клеток, но дают лишь косвенное представление об электрической активности. Вместо того чтобы регистрировать реальные изменения напряжения, которые управляют клеточной коммуникацией, они фиксируют вторичные изменения, которые могут приводить к значительным расхождениям.
Инженеры Калифорнийского университета в Сан-Диего продемонстрировали новый подход, который может устранить этот пробел: высокоскоростной полностью оптический метод регистрации изменений напряжения с помощью полупроводников толщиной в один атом. Ключ к разгадке кроется в том, как электроны в этих материалах взаимодействуют со светом: под воздействием электрического поля они переключаются между двумя состояниями — экситонами (электрически нейтральными электронно-дырочными парами) и трионами (заряженными экситонами).
Исследователи обнаружили, что преобразование экситонов в трионы в полупроводниках толщиной в один атом можно использовать для обнаружения электрических сигналов клеток сердечной мышцы — без необходимости в прикреплённых электродах или чувствительных к напряжению красителях, которые могут нарушать работу клеток.
Другими словами, квантовые свойства самого материала можно использовать в качестве датчика.
«Мы считаем, что чувствительность к напряжению экситонов в однослойных полупроводниках может обеспечить высокоточное пространственно-временное исследование мозговых структур», — сказал старший автор исследования Эртугрул Кубукку, профессор кафедры химической и наноинженерии Айисо Юфэн Ли, а также кафедры электротехники и вычислительной техники Инженерной школы Джейкобса Калифорнийского университета в Сан-Диего.
Кубукку и его команда изучили квантовые свойства монослоя сульфида молибдена. Помимо биосовместимости, они обнаружили, что этот полупроводниковый материал обладает особым преимуществом: при его производстве естественным образом образуются вакансии серы, что создаёт высокую плотность трионов. Этот встроенный дефект делает его исключительно чувствительным к изменениям в близлежащих электрических полях, в том числе к тем, которые генерируются живыми клетками, что, в свою очередь, позволяет спонтанно преобразовывать экситоны в трионы.
Отслеживая изменения в фотолюминесценции материала, исследователи смогли в реальном времени отобразить электрическую активность клеток сердечной мышцы со скоростью, не достижимой ни одной другой технологией визуализации на сегодняшний день, отметили они.
У этой технологии есть множество потенциальных применений. Она может позволить исследователям выявлять нарушения в работе сетей на больших участках возбудимых тканей, от поверхности до более глубоких слоёв. Она может дать представление о механизмах, лежащих в основе неврологических и сердечных заболеваний, и предложить более чёткое представление о том, как болезни нарушают электрические цепи организма. Она также может усовершенствовать терапевтические стратегии, основанные на электрической нейромодуляции, такие как глубокая стимуляция мозга при болезни Паркинсона или кардиостимуляция при аритмии.
Кроме того, эта работа может привести к открытию новых квантовых материалов, которые позволят использовать неинвазивный высокоскоростной метод исследования электрической активности в живых системах.
Источник: PHYS ORG
