Nano-SPEARs måler forsigtigt elektriske signaler i små dyr

Mikroskopiske sonder udviklet ved Rice University har forenklet processen med at måle elektrisk aktivitet i individuelle celler fra små levende dyr. Teknikken tillader et enkelt dyr som en orm at blive testet igen og igen og kan revolutionere dataindsamling til sygdomskarakterisering og lægemiddelinteraktioner.

Rice lab af elektrisk og computeringeniør Jacob Robinson har opfundet "nanoskala suspenderede elektrode arrays" - aka nano-SPEARs - for at give forskere adgang til elektrofysiologiske signaler fra cellerne i små dyr uden at skade dem. Nano-SPEARs erstatter glaspipetteelektroder, der skal justeres i hånden, hver gang de bruges."

En af de eksperimentelle flaskehalse i at studere synaptisk adfærd og degenerative sygdomme, der påvirker synapsen, er at udføre elektriske målinger ved disse synapser, " sagde Robinson. "Vi satte os for at studere store grupper af dyr under mange forskellige forhold for at screene lægemidler eller teste forskellige genetiske faktorer, der relaterer til fejl i signalering ved disse synapser."

Undersøgelsen er detaljeret i denne uge Natur nanoteknologi .

Robinsons tidlige arbejde hos Rice fokuserede på høj kvalitet, højhastigheds elektrisk karakterisering af individuelle celler. Den nye platform tilpasser konceptet til at sondere overfladecellerne af nematoder, orme, der udgør 80 procent af alle dyr på Jorden.

Det meste af det, der er kendt om muskelaktivitet og synaptisk transmission i ormene, kommer fra de få undersøgelser, der med succes brugte manuelt justerede glaspipetter til at måle elektrisk aktivitet fra individuelle celler, sagde Robinson. Imidlertid, denne patch clamp-teknik kræver tidskrævende og invasiv kirurgi, der kan have en negativ indvirkning på de data, der indsamles fra små forsøgsdyr.

Platformen, der er udviklet af Robinsons team, fungerer noget i retning af en betalingsautomat til omrejsende orme. Når hvert dyr passerer gennem en smal kanal, det er midlertidigt immobiliseret og presset mod et eller flere nano-SPYD, der trænger ind i dens kropsvægsmuskel og registrerer elektrisk aktivitet fra nærliggende celler. Det dyr bliver så sluppet fri, den næste er fanget og målt, og så videre. Robinson sagde, at enheden viste sig meget hurtigere at bruge end traditionelle elektrofysiologiske cellemålingsteknikker.

Nano-SPEAR'erne er skabt ved hjælp af standard tyndfilmsdeponeringsprocedurer og elektronstråle- eller fotolitografi og kan laves fra mindre end 200 nanometer til mere end 5 mikrometer tykke, afhængig af størrelsen på det dyr, der skal testes. Fordi nano-SPEARS kan fremstilles på enten silicium eller glas, Teknikken kan let kombineres med fluorescensmikroskopi, sagde Robinson.

De dyr, der er egnede til at sondere med et nano-SPEAR, kan være så store som flere millimeter, ligesom hydra, fætre til vandmændene og emnet for en kommende undersøgelse. Men nematoder kendt som Caenorhabditis elegans var praktiske af flere grunde:For det første, Robinson sagde, de er små nok til at være kompatible med mikrofluidiske enheder og nanotrådselektroder. Sekund, der var mange af dem nede ad gangen i laboratoriet hos Rice-kollega Weiwei Zhong, der studerer nematoder som gennemsigtige, let manipulerede modeller til signalveje, der er fælles for alle dyr.

"Jeg plejede at vige tilbage for at måle elektrofysiologi, fordi den konventionelle metode til plasterklemning er så teknisk udfordrende, " sagde Zhong, en adjunkt i biokemi og cellebiologi og medforfatter til papiret. "Kun få kandidatstuderende eller postdocs kan gøre det. Med Jacobs enhed, selv en bachelorstuderende kan måle elektrofysiologi."

"Dette passer fint sammen med den high-throughput fænotyping, hun laver, " sagde Robinson. "Hun kan nu korrelere lokomotivfænotyper med aktivitet i muskelcellerne. Vi mener, at det vil være nyttigt til at studere degenerative sygdomme centreret omkring neuromuskulære forbindelser."

Faktisk, laboratorierne er begyndt at gøre det. "Vi bruger nu denne opsætning til at profilere orme med neurodegenerative sygdomsmodeller såsom Parkinsons og screene for lægemidler, der reducerer symptomerne, " sagde Zhong. "Dette ville ikke være muligt ved at bruge den konventionelle metode."

Indledende test på C. elegans modeller for amyotrofisk lateral sklerose og Parkinsons sygdom afslørede for første gang klare forskelle i elektrofysiologiske reaktioner mellem de to, rapporterede forskerne. Afprøvning af lægemidlers effektivitet vil blive hjulpet af den nye evne til at studere små dyr i lange perioder. "Hvad vi kan gøre, for første gang, ser på elektrisk aktivitet over en lang periode og opdager interessante adfærdsmønstre, " sagde Robinson.

Nogle orme blev undersøgt i op til en time, og andre blev testet på flere dage, sagde hovedforfatter Daniel Gonzales, en Rice-studerende i Robinsons laboratorium, der tog ansvaret for at hyrde nematoder gennem de mikrofluidiske enheder.

"Det var på en eller anden måde nemmere end at arbejde med isolerede celler, fordi ormene er større og ret robuste, " sagde Gonzales. "Med celler, hvis der er for meget pres, de dør. Hvis de rammer en mur, de dør. Men orme er virkelig robuste, så det var bare et spørgsmål om at få dem op ad elektroderne og holde dem der."

Holdet konstruerede mikrofluidiske arrays med flere kanaler, der tillod test af mange nematoder på én gang. I sammenligning med patch-clamping-teknikker, der begrænser laboratorier til at studere omkring et dyr i timen, Robinson sagde, at hans hold målte så mange som 16 nematoder i timen.

"Fordi dette er en siliciumbaseret teknologi, at lave arrays og producere optagelseskamre i stort antal bliver en reel mulighed, " han sagde.