Neuronlæselige nanotråde kunne fremskynde udviklingen af ​​lægemidler til neurologiske sygdomme

Et team ledet af ingeniører ved University of California San Diego har udviklet nanotråde, der kan registrere neurons elektriske aktivitet i detaljer. Den nye nanotrådteknologi kan en dag tjene som en platform til screening af lægemidler mod neurologiske sygdomme og kunne sætte forskere i stand til bedre at forstå, hvordan enkeltceller kommunikerer i store neuronale netværk.

"Vi udvikler værktøjer, der giver os mulighed for at grave dybere i videnskaben om, hvordan hjernen fungerer, "sagde Shadi Dayeh, en elektroteknisk professor ved UC San Diego Jacobs School of Engineering og teamets ledende efterforsker.

"Vi forestiller os, at denne nanotrådteknologi kunne bruges på stamcelle-afledte hjernemodeller til at identificere de mest effektive lægemidler til neurologiske sygdomme, "sagde Anne Bang, direktør for cellebiologi ved Conrad Prebys Center for Chemical Genomics ved Sanford Burnham Medical Research Institute.

Projektet var et samarbejde mellem Dayeh- og Bang -laboratorierne, neurobiologer ved UC San Diego, og forskere ved Nanyang Technological University i Singapore og Sandia National Laboratories. Forskerne offentliggjorde deres arbejde 10. april i Nano bogstaver .

Forskere kan afdække detaljer om en neurons helbred, aktivitet og reaktion på lægemidler ved at måle ionkanalstrømme og ændringer i dets intracellulære potentiale, hvilket skyldes forskellen i ionkoncentration mellem indersiden og ydersiden af ​​cellen. Den state-of-the-art måleteknik er følsom over for små potentielle ændringer og giver aflæsninger med høje signal-til-støj-forhold. Imidlertid, denne metode er destruktiv - den kan bryde cellemembranen og i sidste ende dræbe cellen. Det er også begrænset til at analysere kun en celle ad gangen, gør det upraktisk at studere store netværk af neuroner, sådan er de naturligt arrangeret i kroppen.

"Eksisterende målingsteknikker med høj følsomhed er ikke skalerbare til 2D- og 3D-vævslignende strukturer dyrket in vitro, "Dayeh sagde." Udviklingen af ​​en nanoskala -teknologi, der kan måle hurtige og små potentielle ændringer i neuronale cellulære netværk, kan fremskynde lægemiddeludviklingen for sygdomme i det centrale og perifere nervesystem. "

Den nanotrådteknologi, der er udviklet i Dayehs laboratorium, er ikke -destruktiv og kan samtidig måle potentielle ændringer i flere neuroner - med den høje følsomhed og opløsning, der opnås af den nuværende teknik.

Enheden består af en række silicium -nanotråde tæt pakket på en lille chip mønstret med nikkelelektrodeledninger, der er belagt med silica. Nanotrådene stikker inde i cellerne uden at beskadige dem og er følsomme nok til at måle små potentielle ændringer, der er en brøkdel af eller et par millivolt i størrelse. Forskere brugte nanotråde til at registrere den elektriske aktivitet af neuroner, der blev isoleret fra mus og stammer fra menneskelige inducerede pluripotente stamceller. Disse neuroner overlevede og fortsatte med at fungere i mindst seks uger, mens de var i kontakt med nanotrådsarrayet in vitro .

Et andet innovativt træk ved denne teknologi er, at det kan isolere det elektriske signal målt af hver enkelt nanotråd. "Dette er usædvanligt i eksisterende nanotrådteknologier, hvor flere ledninger er kortsluttet elektrisk, og du ikke kan differentiere signalet fra hver enkelt ledning, "Sagde Dayeh.

For at overvinde denne forhindring, forskere opfandt en ny skivebindingstilgang for at smelte silicium -nanotråde til nikkelelektroderne. Deres tilgang involverede en proces kaldet silicidation, som er en reaktion, der binder to faste stoffer (silicium og et andet metal) sammen uden at smelte noget af materialet. Denne proces forhindrer nikkelelektroderne i at væske, spredning og kortslutning af tilstødende elektrodekabler.

Silicidation bruges normalt til at skabe kontakter til transistorer, men det er første gang, det bruges til at lave mønstret waferbinding, Sagde Dayeh. "Og da denne proces bruges i fremstilling af halvlederudstyr, vi kan integrere versioner af disse nanotråde med CMOS -elektronik. "Dayehs laboratorium rummer flere verserende patentansøgninger om denne teknologi.

Dayeh bemærkede, at teknologien har brug for yderligere optimering til screening af lægemidler på hjernen på chip. Hans team arbejder på at udvide anvendelsen af ​​teknologien til hjerte-på-chip lægemiddelscreening for hjertesygdomme og in vivo hjernekortlægning, som stadig er flere år væk på grund af betydelige teknologiske og biologiske udfordringer, som forskerne skal overvinde. "Vores ultimative mål er at oversætte denne teknologi til en enhed, der kan implanteres i hjernen."