En enhed baseret på 3D-transistor-arrays til indsamling af intra- og intercellulære optagelser

Dyreceller kan bruge elementer eller ioner til at generere elektriske impulser. Disse impulser overføres derefter fra en celle til en anden og bevæger sig på tværs af cellulære netværk.

Evnen til præcist at optage elektriske signaler udvekslet af celler kan hjælpe forskning og forbedre praksis inden for adskillige sundhedsrelaterede områder, herunder kardiologi og neurologi. De fleste eksisterende teknologier er dog begrænset i både deres registreringsnøjagtighed og skalerbarhed.

Forskere ved University of California San Diego har for nylig udviklet en meget følsom sensorenhed, der kunne bruges til at optage de elektriske signaler fra celler med større præcision. Denne enhed, introduceret i et papir udgivet i Nature Nanotechnology , består af flere sensorer, som tilsammen kan måle udbredelsen af ​​elektriske signaler, der udveksles af forskellige celler eller inde i individuelle.

Den nylige undersøgelse blev ledet af Dr. Yue Gu, mens han arbejdede i Prof. Sheng Xus laboratorium ved UC San Diego. Dr. Gu, er nu postdoc ved Yale University.

"Etableringen af ​​vores 3D-struktur, også kendt som en 'pop-up'-arkitektur, er baseret på en unik metode, den kompressive buckling-teknik, som jeg udviklede under mine postdoktorale studier i 2015," Prof. Xu, en af ​​forfatterne til den nylige avis, fortalte Phys.org. "Den kompressive knækningsteknik udnytter konventionelle og alsidige mikrofabrikationsteknikker i renrum til at generere sofistikerede 3D-strukturer."

De 3D 'pop-up' strukturer, der bruges af prof. Xu og hans kolleger, kan bygges ved hjælp af en bred vifte af materialer, der er kompatible med mikrofremstillingsteknikker. Materialerne, de er lavet af, kan igen bestemme deres funktion, hvilket kunne være elektromagnetisk bølgedæmpning, mekanisk vibration, tryk- og belastningsføling eller elektrisk signalføling.

I deres undersøgelse satte forskerne sig for at bygge disse 3D-strukturer, så de kunne bruges til præcist at optage elektriske signaler, der genereres og udveksles af celler. Deres hovedmål var effektivt at udnytte alsidigheden af ​​den komprimerende knækningsteknik til at bygge en enhed, der kunne indsamle nøjagtige intra- og intercellulære optagelser.

"Indlejring af halvledende materialer og tekniske transistorer i denne pop-up-arkitektur udvider anvendelsen af ​​teknikken," forklarede prof. Xu. "Vores vilje til at anvende denne struktur på celler, specifikt hjertemuskelceller, blev udløst af diskussioner, som Dr. Gu og jeg havde med kardiologer og neurologer tilbage i 2015, som klagede over vanskelighederne ved at optage intracellulære signaler ved hjælp af de eksisterende værktøjer, som f.eks. som patch-clamp, som er guldstandarden til optagelse af cellulære elektriske signaler."

Efter at de lærte om de udfordringer, som medicinske forskere oplevede, når de forsøgte at indsamle præcise optagelser af cellulære elektriske signaler, begyndte Dr. Xu og Dr. Gu at eksperimentere med unikke tekniske tilgange, der kunne forenkle deres arbejde. I sidste ende førte dette til udviklingen af ​​det nye sensorarray, som blev introduceret i deres seneste papir.

"Et andet formål med vores undersøgelse var implementeringen af ​​intracellulære sensorer i 3D-konstrueret hjertevæv," sagde prof. Xu. "Det er velkendt, at cellernes elektrofysiologiske egenskaber varierer, når de er i levende dyr, isoleret fra de levende dyr og dyrket i skåle. Optagelse af signalerne in vivo er altid det mest betydningsfulde og alligevel udfordrende trin."

Prof. Xu og hans kolleger var de første til at indsamle præcise intracellulære optagelser af celler i det konstruerede hjertevæv. Deres undersøgelse kunne således være et første skridt mod indsamlingen af ​​pålidelige, in vivo cellulære optagelser.

"Cellemembranpotentiale, der forspænder gateterminalen på individuelle transistorer, resulterer i en ændring i strømmen fra drænet til transistorernes sourceterminal," forklarede prof. Xu. "Derfor afspejler strømudsving de momentane membranpotentialer. De flere transistorer i det array, vi udviklede, kan samtidigt optage signaler fra forskellige positioner i en celle eller forskellige celler."

For at overvåge signaludbredelsesadfærd inde i og mellem celler sekvenserer forskernes enhed de signaler, der opfanges af dens mange transistorer. I modsætning til andre tidligere foreslåede metoder til indsamling af cellulære optagelser, er den nye enhed i stand til at overvåge flere celler samtidigt. Derudover kan dens transistorer bevare intakte cellemembranpotentialer med fuld amplitude uden at lide af dæmpninger eller impedanser forbundet med den proces, hvorigennem den får adgang til celler.

"Funktionaliserede transistoroverflader af phospholipid-dobbeltlagsmaterialer kan også camouflere de uorganiske transistorer til at være celler, hvilket i høj grad letter deres indsættelse i cellelegemet," forklarede prof. Xu. "Under sådanne forhold beskrives internalisering som en spontan fusionsproces, som efterlader minimal selv ingen invasivitet til cellen."

Den sensor, der er udviklet af prof. Xu og hans kolleger, kan også overvåge den elektriske signalledningshastighed inde i en kardiomyocyt. Denne måling kan være af vital betydning for kardiologers arbejde, da sammenligning af den med ledningshastigheden mellem naboceller kan hjælpe med at opdage og forstå nogle hjertesygdomme, herunder hjertefibrose.

"Som en del af vores undersøgelse implementerede vi transistorarrayet i 3D-hjertevæv og optog de intracellulære elektriske signaler fra enkelte celler for første gang," sagde Xu. "I processen registrerede vi også ledningen af ​​elektriske signaler og beregnede deres hastighed."

Indtil videre har forskerne primært testet deres transistorbaserede sensorenhed på hjertevæv og opnået meget lovende resultater. Deres første resultater tyder på, at det i sidste ende kunne bruges til at indsamle præcise optagelser af elektriske signaler produceret og udvekslet af celler, både i laboratoriemiljøer og in vivo, på hjerner eller hjerter hos levende dyr eller mennesker.

"Vi forfølger nu flere nye mål," tilføjede Xu. "Den første er at bruge vores transistorer til at udføre in vivo-tests på intakte hjerter eller hjerner. Den anden er at registrere neuronernes intracellulære aktiviteter på forskellige neuronale steder. Endelig, da nogle endokrine celler også er elektrogene, hvilket betyder, at deres elektriske aktiviteter er relateret til andre fysiologiske hændelser, er de også af stor interesse." + Udforsk yderligere

'Pop-up' elektroniske sensorer kunne registrere, når individuelle hjerteceller opfører sig forkert

© 2022 Science X Network