Алмазные квантовые сенсоры приблизили слежение за активностью клеток

Сердце сокращается, потому что электрические сигналы пробегают по клеткам и заставляют их синхронно сжиматься. Каждый электрический импульс создаёт крошечное магнитное поле. Измерить его у одиночной клетки без вторжения в неё — давняя мечта кардиофизиологии. До сих пор это было технически недостижимо.

Группа учёных MIT разработала систему на основе алмазных квантовых сенсоров, которая справляется с этой задачей. Результаты опубликованы в Science Advances.

Что такое NV-центр в алмазе

В алмазах иногда встречается дефект: атом азота (N) соседствует с вакансией в кристаллической решётке (V). Такой NV-центр — точечный квантовый объект с уникальным свойством: его квантовое состояние чрезвычайно чувствительно к магнитным полям в ближайшем окружении.

Лазерный луч переводит NV-центр в определённое квантовое состояние. Магнитное поле его изменяет. Считывая изменение через флуоресценцию, исследователи могут измерять поле с беспрецедентной чувствительностью — и всё это в твёрдотельном устройстве размером с несколько кубических миллиметров.

Технология хорошо известна в физике. Применить её к живым клеткам сложнее: клетки не хотят располагаться в нужном месте, сигналы слабы, и биологический «шум» заглушает данные.

Что удалось измерить

Команда разместила кардиомиоциты — сердечные клетки человека — непосредственно над поверхностью алмаза с NV-центрами. Лазерный луч возбуждал NV-центры, а детектор считывал изменения флуоресценции в режиме реального времени.

Результат превзошёл ожидания:

• Сенсор зафиксировал магнитные поля, соответствующие отдельным потенциалам действия кардиомиоцита — электрическим импульсам каждого удара.
• Временное разрешение оказалось достаточным для регистрации формы сигнала — не просто «есть событие», а «вот как оно выглядит».
• Измерение проводилось без контакта и без добавления каких-либо маркеров или красителей, которые могут нарушить клеточное поведение.
• Метод неразрушителен: после измерения клетки остаются живыми.

Что это меняет

Это принципиально отличается от существующих методов. Сейчас электрическую активность клеток измеряют с помощью patch-clamp — микропипетки, врезающейся в мембрану клетки. Метод информативен, но инвазивен, трудоёмок и измеряет по одной клетке за раз.

Флуоресцентные красители регистрируют активность без проколов, но меняют физиологию клетки. Запись целых тканей — ЭКГ и её варианты — усредняет сигналы миллионов клеток.

Алмазный сенсор предлагает неинвазивный способ смотреть на одиночные клетки. В перспективе это открывает несколько направлений:

• Кардиофармакология: проверять, как новые препараты влияют на электрическую активность клеток, до испытаний на животных или людях.
• Онкология: некоторые опухолевые клетки изменяют ионные каналы и электрическую активность — новый сенсор мог бы это детектировать.
• Нейронауки: нейроны тоже генерируют магнитные поля, и та же технология в принципе применима к регистрации нейронной активности.

До широкого медицинского применения — значительный путь. Но демонстрация принципа на кардиомиоцитах ставит окончательную точку в вопросе «возможно ли это в принципе».

Исследование опубликовано в Science Advances.

Читайте также по теме: магнитных технологиях для выращивания сосудов.