Miniaturní bezdrátové antény monitorují buněčnou komunikaci pomocí světla

Sledování elektrických signálů v biologických systémech pomáhá vědcům porozumět komunikaci buněk, což může napomoci diagnostice a léčbě onemocnění, jako je arytmie a Alzheimerova choroba.

Zařízení, která zaznamenávají elektrické signály v buněčných kulturách a dalších kapalných prostředích, často používají dráty k propojení každé elektrody na zařízení s odpovídajícím zesilovačem. Protože je možné k zařízení připojit pouze omezený počet drátů, omezuje to počet záznamových míst a tím i informace, které lze z buněk shromáždit.

Vědci z MIT nyní vyvinuli biosenzorickou techniku, která eliminuje potřebu drátů. Místo toho používají miniaturní bezdrátové antény, které využívají světlo k detekci nepatrných elektrických signálů.

Malé elektrické změny v okolním kapalném prostředí mění způsob, jakým antény rozptylují světlo. Pomocí pole miniaturních antén, z nichž každá má šířku jedné setiny lidského vlasu, mohli vědci měřit elektrické signály vyměňované mezi buňkami s extrémním prostorovým rozlišením.

Zařízení, která jsou dostatečně odolná pro nepřetržité zaznamenávání signálů po dobu více než 10 hodin, by mohla biologům pomoci porozumět tomu, jak buňky komunikují v reakci na změny v jejich prostředí. V dlouhodobém horizontu by takové vědecké poznatky mohly připravit cestu pro pokroky v diagnostice, podnítit vývoj cílených léčebných postupů a umožnit větší přesnost při hodnocení nových terapií.

„Schopnost zaznamenávat elektrickou aktivitu buněk s vysokou propustností a vysokým rozlišením zůstává skutečným problémem. Musíme vyzkoušet některé inovativní nápady a alternativní přístupy,“ říká Benoît Desbiolles, bývalý postdoktorand v MIT Media Lab a hlavní autor článku o zařízeních.

K autorům článku patří také Jad Hanna, hostující student v Media Lab; bývalý hostující student Raphael Ausilio; bývalá postdoktorandka Marta J. I. Airaghi Leccardi; Yang Yu, vědec z Raith America, Inc.; a vedoucí autorka Deblina Sarkar, profesorka na MIT Media Lab a MIT Center for Neurobiological Engineering a vedoucí Nano-Cybernetic Biotrek Lab. Výzkum byl publikován v časopise Science Advances.

„Bioelektřina je fundamentální pro fungování buněk a různých životních procesů. Přesné zaznamenávání takových elektrických signálů však bylo náročné,“ říká Sarkar. „Organické elektro-rozptylové antény (OCEANs), které jsme vyvinuli, umožňují bezdrátové zaznamenávání elektrických signálů s mikrometrálním prostorovým rozlišením z tisíců záznamových míst současně. To může vytvořit nebývalé příležitosti pro pochopení fundamentální biologie a změněné signalizace v nemocných stavech, stejně jako pro screening účinku různých terapeutik, aby se umožnily nové léčby.“

Biosenzorování pomocí světla

Vědci se rozhodli navrhnout biosenzorické zařízení, které by nepotřebovalo dráty ani zesilovače. Takové zařízení by bylo pro biology, kteří nemusí být obeznámeni s elektronickými přístroji, jednodušší k použití.

„Přemýšleli jsme, zda bychom mohli vytvořit zařízení, které převede elektrické signály na světlo a poté použijeme optický mikroskop, jaký je dostupný v každé biologické laboratoři, k prozkoumání těchto signálů,“ říká Desbiolles.

Zpočátku použili speciální polymer zvaný PEDOT:PSS k návrhu nanoskalárních převodníků, které obsahovaly malé kousky zlaté nitě. Zlaté nanočástice měly rozptylovat světlo – proces, který by byl indukován a modulován polymerem. Výsledky se však neshodovaly s jejich teoretickým modelem.

Vědci se pokusili odstranit zlato a překvapivě se výsledky mnohem více shodovaly s modelem.

„Ukázalo se, že jsme neměřili signály ze zlata, ale z polymeru samotného. To byl velmi překvapivý, ale vzrušující výsledek. Na základě tohoto zjištění jsme vyvinuli organické elektro-rozptylové antény,“ říká.

Organické elektro-rozptylové antény, neboli OCEANs, se skládají z PEDOT:PSS. Tento polymer přitahuje nebo odpuzuje kladné ionty z okolního kapalného prostředí, když je v blízkosti elektrická aktivita. To mění jeho chemickou konfiguraci a elektronickou strukturu, čímž mění optickou vlastnost známou jako index lomu, která mění způsob, jakým rozptyluje světlo.

Když vědci nasvítí anténu světlem, intenzita světla se mění úměrně k elektrickému signálu přítomnému v kapalině.

S tisíci nebo dokonce miliony miniaturních antén v poli, z nichž každá má šířku pouhého 1 mikrometru, mohou vědci zachytit rozptýlené světlo pomocí optického mikroskopu a měřit elektrické signály z buněk s vysokým rozlišením. Protože každá anténa je nezávislým senzorem, vědci nepotřebují spojovat příspěvek více antén k monitorování elektrických signálů, což je důvod, proč OCEANs dokáží detekovat signály s mikrometrálním rozlišením.

Pole OCEAN je určeno pro in vitro studie, takže jsou navrženy tak, aby se na nich přímo pěstovaly buňky a umísťovaly se pod optický mikroskop pro analýzu.

„Pěstování“ antén na čipu

Klíčem k zařízením je přesnost, s jakou mohou vědci vyrábět pole v zařízeních MIT.nano.

Začínají se skleněným substrátem a na něj nanášejí vrstvy vodivého a poté izolačního materiálu, z nichž každý je opticky průhledný. Poté použijí fokusovaný iontový paprsek k vyříznutí stovek nanoskalárních otvorů do horních vrstev zařízení. Tento speciální typ fokusovaného iontového paprsku umožňuje vysoce výkonnou nanofabrikaci.

„Tento přístroj je v podstatě jako pero, kde můžete leptat cokoli s rozlišením 10 nanometrů,“ říká.

Čip ponoří do roztoku, který obsahuje prekurzory stavebních bloků polymeru. Aplikováním elektrického proudu na roztok se prekurzorní materiál přitáhne do miniaturních otvorů na čipu a houbovité antény „vyrostou“ zespodu nahoru.

Celý výrobní proces je relativně rychlý a vědci by tuto techniku ​​mohli použít k výrobě čipu s miliony antén.

„Tuto techniku ​​by bylo možné snadno přizpůsobit tak, aby byla plně škálovatelná. Omezujícím faktorem je, kolik antén můžeme současně zobrazovat,“ říká.

Vědci optimalizovali rozměry antén a upravili parametry, což jim umožnilo dosáhnout dostatečně vysoké citlivosti pro monitorování signálů s napětím až 2,5 milivoltu v simulovaných experimentech. Signály vysílané neurony pro komunikaci jsou obvykle kolem 100 milivoltů.

„Protože jsme si dali čas na skutečné prozkoumání a pochopení teoretického modelu tohoto procesu, můžeme maximalizovat citlivost antén,“ říká.

OCEANs také reagovaly na měnící se signály během několika milisekund, což jim umožnilo zaznamenávat elektrické signály s rychlou kinetikou. V budoucnu chtějí vědci testovat zařízení s reálnými buněčnými kulturami. Také chtějí přetvarovat antény tak, aby mohly pronikat buněčnými membránami, což umožní přesnější detekci signálů.

Dále chtějí studovat, jak by bylo možné OCEANs integrovat do nanophotonických zařízení, která manipulují se světlem v nanoskopickém měřítku pro senzory a optická zařízení příští generace.

Tento výzkum je částečně financován Národními instituty zdraví USA a Švýcarskou národní vědeckou nadací. Výzkum uvedený v této tiskové zprávě byl podpořen Národním institutem pro srdce, plíce a krev (NHLBI) Národních institutů zdraví a nemusí nutně představovat oficiální názor NIH.