Cell Rover:Udforskning og udvidelse af en celles indre verden

Forskere ved MIT Media Lab har designet en miniatureantenne, der kan fungere trådløst inde i en levende celle, hvilket åbner muligheder inden for medicinsk diagnostik og behandling og andre videnskabelige processer på grund af antennens potentiale til at overvåge og endda styre cellulær aktivitet i realtid.

"Det mest spændende aspekt af denne forskning er, at vi er i stand til at skabe cyborgs i cellulær skala," siger Deblina Sarkar, assisterende professor og AT&T Career Development Chair ved MIT Media Lab og leder af Nano-Cybernetic Biotrek Lab. "Vi er i stand til at forene informationsteknologiens alsidighed på celleniveau, biologiens byggesten."

Et papir, der beskriver forskningen, blev offentliggjort i dag i tidsskriftet Nature Communications .

Teknologien, som forskerne har fået navnet Cell Rover, repræsenterer den første demonstration af en antenne, der kan fungere inde i en celle og er kompatibel med 3D biologiske systemer. Typiske bioelektroniske grænseflader, siger Sarkar, er millimeter eller endda centimeter i størrelse og er ikke kun meget invasive, men giver heller ikke den opløsning, der er nødvendig for at interagere med enkelte celler trådløst - især i betragtning af, at ændringer til selv en celle kan påvirke en hel organisme.

Antennen udviklet af Sarkars team er meget mindre end en celle. Faktisk repræsenterede antennen i holdets forskning med oocytceller mindre end 0,05 procent af cellevolumenet, hvilket satte den et godt stykke under en størrelse, der ville trænge ind på og beskadige cellen.

At finde en måde at bygge en antenne af den størrelse til at fungere inde i en celle var en vigtig udfordring.

Dette skyldes, at konventionelle antenner skal være sammenlignelige i størrelse med bølgelængden af ​​de elektromagnetiske bølger, de sender og modtager. Sådanne bølgelængder er meget store - de repræsenterer lysets hastighed divideret med bølgefrekvensen. Samtidig er det kontraproduktivt at øge frekvensen for at reducere dette forhold og størrelsen af ​​antennen, fordi høje frekvenser producerer varmeskader for levende væv.

Antennen udviklet af Media Lab-forskerne konverterer elektromagnetiske bølger til akustiske bølger, hvis bølgelængder er fem størrelsesordener mindre - hvilket repræsenterer lydens hastighed divideret med bølgefrekvensen - end de elektromagnetiske bølgers.

Denne konvertering fra elektromagnetiske til akustiske bølger opnås ved at fremstille miniatureantennerne ved hjælp af materiale, der omtales som magnetostriktiv. Når et magnetfelt påføres antennen, der driver og aktiverer den, justeres magnetiske domæner i det magnetostriktive materiale til feltet, hvilket skaber spænding i materialet, den måde metalstykker vævet ind i et stykke stof kunne reagere på en stærk magnet, hvilket forårsager kluden til at forvride.

Når et vekslende magnetfelt påføres antennen, er den varierende belastning og spænding (tryk), der produceres i materialet, det, der skaber de akustiske bølger i antennen, siger Baju Joy, en studerende i Sarkars laboratorium og hovedforfatteren af ​​dette værk. "Vi har også udviklet en ny strategi, hvor vi bruger et uensartet magnetfelt til at introducere rovere i cellerne," tilføjer Joy.

Konfigureret på denne måde kunne antennen bruges til at udforske det grundlæggende i biologi, når naturlige processer opstår, siger Sarkar. I stedet for at ødelægge celler for at undersøge deres cytoplasma, som det typisk gøres, kunne Cell Rover overvåge udviklingen eller deling af en celle, detektere forskellige kemikalier og biomolekyler såsom enzymer eller fysiske ændringer såsom i celletryk - alt sammen i realtid og in vivo.

Materialer som polymerer, der undergår ændring i masse eller stress som reaktion på kemiske eller biomolekylære ændringer - allerede brugt i medicinsk og anden forskning - kunne ifølge forskerne integreres med driften af ​​Cell Rover. En sådan integration kunne give indsigt, der ikke er givet af de nuværende observationsteknikker, der involverer ødelæggelse af cellen.

Med sådanne kapaciteter kunne Cell Rovers være værdifulde i kræft- og neurodegenerativ sygdomsforskning, for eksempel. Som Sarkar forklarer, kan teknologien bruges til at detektere og overvåge biokemiske og elektriske ændringer forbundet med sygdommen over dens progression i individuelle celler. Anvendt inden for lægemiddelopdagelse kunne teknologien belyse levende cellers reaktioner på forskellige lægemidler.

På grund af sofistikeringen og omfanget af nanoelektroniske enheder såsom transistorer og switche - "der repræsenterer fem årtiers enorme fremskridt inden for informationsteknologi," siger Sarkar - kunne Cell Rover med sin miniantenne udføre funktioner, der rækker hele vejen til intracellulær databehandling og informationsbehandling til autonom udforskning og modulering af cellen. Forskningen viste, at flere Cell Rovers kan engageres, selv inden for en enkelt celle, for at kommunikere indbyrdes og uden for cellerne.

"Cell Rover er et innovativt koncept, da den kan integrere sansning, kommunikation og informationsteknologi i en levende celle," siger Anantha P. Chandrakasan, dekan for MIT School of Engineering og Vannevar Bush professor i elektroteknik og datalogi. "Dette åbner op for hidtil usete muligheder for ekstremt præcis diagnostik, terapi og opdagelse af lægemidler, såvel som at skabe en ny retning i krydsfeltet mellem biologi og elektroniske enheder."

Forskerne navngav deres intracellulære antenneteknologi Cell Rover for, ligesom en Mars-rover, at påkalde dens mission om at udforske en ny grænse.

"Du kan tænke på Cell Rover," siger Sarkar, "som værende på en ekspedition, der udforsker cellens indre verden." + Udforsk yderligere

Ny membranbaseret antenne meget mindre end konventionelle

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.