细胞是人体中最小的生命单位。兴奋性细胞(例如神经元和心肌细胞，即心肌细胞)使用电信号(所谓的动作电位)相互通信。科学家们使用位于细胞膜外部或内部的电极研究了正常大脑和心脏功能的这些信号，这些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)的研究人员和以Stephan Rohr为首的伯尔尼大学细胞光学II实验室的研究人员联手开发了一种新的微电极，该微电极可在无辅助的情况下穿透细胞膜。放置在一个阵列中，可以使科学家追踪电活动在组织中的传播情况。研究人员的发现已发表在《纳米快报》上。
尖端技术
尽管蜂窝电活动的记录系统在过去的几年中已经发生了显着的发展，但它们仍然存在局限性。使用置于膜外的电极的非侵入性细胞外多电极阵列报告的信号仅与动作电位间接相关。他们几乎没有告诉科学家动作电位的实际形状-例如细胞膜电位的瞬时升高-导致心脏跳动。
自从七十年前伯尔尼大学生理学系的西尔维奥·魏德曼(Silvio Weidmann)首次测量细胞动作电位以来，科学家一直在通过使用微电极获得细胞内通路来测量这些信号。可以将这些电极穿入细胞中，也可以将它们放在细胞膜上，然后在电极口下打开膜。这可以通过机械方式或通过电穿孔完成–将高压脉冲施加到电极上。例如，最近使用后一种技术来获得呈微观蘑菇状的纳米结构电极的细胞内通路。但是，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，
受自然启发
EPFL和伯尔尼大学团队采用了现有技术的最佳功能，并提出了巧妙的火山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BenoîtDesbiolles说：“通过重新设计几何形状和材料，我们开发了一种可在无辅助的情况下穿透细胞膜的电极，从而消除了电穿孔的需要。”“我们还借鉴了我们实验室以前的研究，该研究表明模仿细胞膜可以稳定细胞-电极界面。”
被称为纳米火山的新型电极由三部分组成。首先是火山口的边缘。它由一个具有与细胞膜本身相同大小和衬有相同生物分子的金环组成。火山口内有一个铂电极，用于拾取电信号。外部被绝缘玻璃包围。Desbiolles解释说：“一旦在结构上放置一个电池，然后它开始沉降，尖锐的边缘就会刺穿膜，并且电极会穿透该电池。”“膜没有进行重整，而是将自身锚定在金环上，为记录细胞的电活动创造了理想的条件。”
有希望的应用
使用纳米火山阵列，科学家可以同时测量细胞培养物中多个位置的动作电位，从而提供丰富的洞察力，了解心肌细胞在太空中如何相互作用。
“对于像我这样的电生理学家来说，这项技术是梦想成真的，”该出版物的合著者斯蒂芬·罗尔(Stephan Rohr)说。除了测量单个细胞的动作电位，我们现在还可以研究传播的动作电位如何根据组织结构和病理状况改变其形状。该知识对于深入了解导致潜在致命性心律不齐的机制至关重要。”
纳米火山的潜在应用远远超出了心脏电生理。“除了突破性的设计，我们的电极还非常易于制造，” Desbiolles解释说。目前正在进行测试，以查看它是否适用于神经元和其他可兴奋细胞类型。这位年轻的研究人员说，该设计也为其他科学学科带来了希望：“纳米火山为牢房打开了一扇门。该技术还可能会吸引制药业，使科学家能够测试细胞对药物的反应，并从长远来看，可以开发靶向疗法。
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