Forskerhold udvikler en enhed i nanoskala til hjernekemianalyse

Langvarige udfordringer inden for biomedicinsk forskning såsom overvågning af hjernekemi og sporing af spredning af lægemidler gennem kroppen kræver meget mindre og mere præcise sensorer. En ny nanoskalasensor, der kan overvåge områder, der er 1.000 gange mindre end den nuværende teknologi og kan spore subtile ændringer i det kemiske indhold af biologisk væv med en opløsning på under sekund, hvilket i høj grad overgår standardteknologier.

Enheden, der er udviklet af forskere ved University of Illinois Urbana-Champaign, er siliciumbaseret og drager fordel af teknikker udviklet til fremstilling af mikroelektronik. Den lille enhedsstørrelse gør det muligt for den at indsamle kemisk indhold med tæt på 100 % effektivitet fra stærkt lokaliserede vævsområder på en brøkdel af et sekund. Funktionerne af denne nye nanodialyseenhed er rapporteret i tidsskriftet ACS Nano .

"Med vores nanodialyse-enhed tager vi en etableret teknik og skubber den ind i en ny ekstrem, hvilket gør biomedicinske forskningsproblemer, som før var umulige, helt mulige nu," sagde Yurii Vlasov, en U. of I. el- og computeringeniørprofessor og en co. - leder af undersøgelsen. "Da vores enheder er lavet på silicium ved hjælp af mikroelektronikfremstillingsteknikker, kan de desuden fremstilles og implementeres i stor skala."

Fra mikro- til nanodialyse

Nanodialyse er baseret på en teknik kaldet mikrodialyse, hvor en sonde med en tynd membran indsættes i biologisk væv. Kemikalier passerer gennem membranen til en væske, der pumpes væk til analyse. Evnen til at prøve direkte fra væv har gjort en stor indvirkning på områder som neurovidenskab, farmakologi og dermatologi.

Traditionel mikrodialyse har dog begrænsninger. Sonderne prøver fra et par kvadratmillimeter, så de kan kun måle den gennemsnitlige sammensætning over relativt store områder i vævet. Den store størrelse resulterer også i en vis grad af vævsskade, når sonden indsættes, hvilket potentielt skævvrider analyseresultaterne. Endelig strømmer væsken, der pumpes gennem sonden, med en forholdsvis høj hastighed, hvilket påvirker effektiviteten og nøjagtigheden, hvormed kemiske koncentrationer kan aflæses.

"Mange problemer med traditionel mikrodialyse kan løses ved at bruge en meget mindre enhed," sagde Vlasov. "At blive mindre med nanodialyse betyder mere præcision, mindre skade fra vævsplaceringen, kemisk kortlægning af vævet med højere rumlig opløsning og en meget hurtigere udlæsningstid, hvilket tillader et mere detaljeret billede af ændringerne i vævskemi."

Langsomt og stabilt

Det vigtigste træk ved nanodialyse er den ultra-langsomme strømningshastighed af væsken, der pumpes gennem sonden. Ved at gøre strømningshastigheden 1.000 gange langsommere end traditionel mikrodialyse, fanger enheden den kemiske sammensætning af vævet opsamlet fra et område, der er 1.000 gange mindre end traditionelle teknikker, samtidig med at den bevarer 100 % effektivitet.

"Ved at reducere strømningshastigheden drastisk tillader det, at kemikalierne, der diffunderer ind i sonden, matcher koncentrationerne udenfor i vævet," forklarede Vlasov. "Forestil dig, at du tilføjer farvestof til et rør med rindende vand. Hvis flowet er for hurtigt, bliver farven fortyndet til koncentrationer, der er svære at opdage. For at undgå fortynding skal du skrue for vandet næsten helt ned."

Siliciumfremstilling og -produktion

Standard mikrodialyseapparater er konstrueret ved hjælp af glasprober og polymermembraner, hvilket gør dem til en udfordring at miniaturisere. For at bygge enheder egnet til nanodialyse brugte forskerne teknikker udviklet til fremstilling af elektroniske chip til at skabe en enhed baseret på silicium.

"Ud over at gøre det muligt for os at gå mindre, gør siliciumteknologi enhederne billigere," sagde Vlasov. "Ved at bruge tid og kræfter på at udvikle en fremstillingsproces til at bygge vores nanoenheder på silicium, er det nu meget ligetil at fremstille dem i industriel skala til en utrolig lav pris."

Rashid Bashir, en U. of I. bioingeniørprofessor og dekanen for The Grainger College of Engineering, var med til at lede projektet.

Flere oplysninger: Insu Park et al., stærkt lokaliseret kemisk prøvetagning ved sekundær tidsopløsning aktiveret med en silicium nanodialyseplatform ved Nanoliter pr. minut flow, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.3c09776

Leveret af University of Illinois Grainger College of Engineering