محققان دانشگاه کالیفرنیا ابزار جدید قدرتمندی را توسعه داده‌اند که فعالیت الکتریکی درون سلول‌های قلب را با استفاده از حسگرهای کوچک «پاپ‌آپ» رصد می‌کند. این حسگرهای کوچک بدون آسیب رساندن به سلول‌ها کار می‌کند. این دستگاه مستقیم حرکت و سرعت سیگنال‌های الکتریکی که در یک سلول قلب منفرد و همچنین بین چندین سلول قلب حرکت می‌کنند، را اندازه‌گیری می‌کند. این اولین باری است که دانشمندان این سیگنال‌ها را در داخل سلول‌های بافت‌های سه‌بعدی اندازه‌گیری می‌کنند.
نتایج این پروژه در قالب مقاله‌ای در مجله Nature Nanotechnology منتشر شده است. این فناوری می‌تواند دانشمندان را قادر سازد تا بینش دقیق‌تری در مورد اختلالات و بیماری‌های قلبی مانند آریتمی (ریتم غیر طبیعی قلب)، حمله قلبی و فیبروز قلبی (سفتی یا ضخیم شدن بافت قلب) به دست آورند.
یوگو از محققان این پروژه می‌گوید: «مطالعه نحوه انتشار سیگنال الکتریکی بین سلول‌های مختلف برای درک مکانیسم عملکرد سلول و بیماری مهم است. بی‌نظمی در این سیگنال می‌تواند نشانه‌ای از آریتمی باشد. اگر سیگنال نتواند به درستی از یک قسمت قلب به قسمت دیگر منتشر شود، بخشی از قلب نمی تواند سیگنال را دریافت کند بنابراین نمی‌تواند منقبض شود.»
شنگ زو می‌گوید: «با این دستگاه می‌توانیم تا سطح سلولی زوم کنیم و تصویری با وضوح بسیار بالا از آنچه در قلب می‌گذرد به دست آوریم؛ می‌توانیم ببینیم کدام سلول‌ها آسیب‌دیده هستند، کدام قسمت‌ها با بقیه هماهنگ نشده‌اند. این اطلاعات می‌تواند برای کمک به پزشکان و توانمندسازی آن‌ها برای تشخیص بهتر مورد استفاده قرار گیرد.»
این دستگاه از یک آرایه سه‌بعدی از ترانزیستورهای اثر میدان میکروسکوپی یا FET تشکیل شده است که به شکل نوک تیز هستند. این FETهای کوچک بدون آسیب رساندن به غشای سلولی به آن‌ها نفوذ می‌کنند و به اندازه کافی حساس هستند که سیگنال‌های الکتریکی – حتی سیگنال‌های بسیار ضعیف – را مستقیم در داخل سلول‌ها تشخیص دهند. برای جلوگیری از دیده شدن به‌عنوان یک ماده خارجی و ماندن در داخل سلول‌ها برای مدت طولانی، FET ها در یک دولایه فسفولیپیدی پوشانده می شوند. FET ها می‌توانند سیگنال‌های چندین سلول را به طور همزمان نظارت کنند. آن‌ها حتی می‌توانند سیگنال‌ها را در دو مکان مختلف در داخل یک سلول نظارت کنند.
گو گفت: «این چیزی است که این دستگاه را منحصر به فرد می کند. این ابزار می تواند دارای دو حسگر FET باشد که در داخل یک سلول با حداقل تهاجم نفوذ می کنند و به ما اجازه می‌دهد تا ببینیم یک سیگنال از کدام سمت منتشر می‌شود و با چه سرعتی حرکت می کند. این اطلاعات دقیق در مورد انتقال سیگنال در یک سلول واحد تا کنون ناشناخته بوده است.»
برای ساخت این دستگاه، محققان ابتدا FET ها را به شکل دوبعدی ساختند و سپس نقاط منتخبی از این اشکال را روی یک ورقه الاستومری از پیش کشیده چسباندند. محققان سپس ورقه الاستومری را شل کردند و باعث کمانش دستگاه و تا شدن FET ها در یک ساختار سه بعدی شدند تا بتوانند به داخل سلول ها نفوذ کنند.
این تیم این دستگاه را بر روی محیط کشت سلولی عضله قلب و بافت‌های قلبی که در آزمایشگاه مهندسی شده بودند، آزمایش کردند. این آزمایش‌ها شامل نظارت بر سیگنال‌های الکتریکی است که حسگرهای FET دریافت می‌کنند. با دیدن اینکه کدام حسگرها ابتدا یک سیگنال را شناسایی می‌کنند و سپس اندازه‌گیری زمان لازم برای تشخیص سیگنال توسط سایر حسگرها، تیم می‌تواند مسیر حرکت سیگنال و سرعت آن را تعیین کند. محققان توانستند این کار را برای سیگنال‌هایی که بین سلول‌های مجاور حرکت می‌کنند و برای اولین بار برای سیگنال‌هایی که درون یک سلول عضله قلب حرکت می‌کنند، انجام دهند.