Lepší způsob, jak zapojit buňky

Pochopení toho, jak mozkové a srdeční buňky zpracovávají a generují elektrické signály, by mohlo vést k novému pochopení neurologických a srdečních chorob. Ještě před pár lety však jednoduše nebylo možné pořizovat elektrické záznamy na úrovni jednotlivých buněk. V roce 2006 použili výzkumníci z Harvardu nanodrátová tranzistory k měření elektrických signálů v 50 bodech podél jednoho neuronu. Nyní stejná výzkumná skupina vyvinula nový nanovláknový záznamový systém a použila jej k zachycení některých nejpřesnějších a nejkvalitnějších elektrických záznamů, jaké byly kdy vyrobeny ze srdečních buněk.

Buněčné signály : Buňky vyrostlé na pružném plastovém substrátu vyznačeném červeně se pomocí mikroskopu umístí na pole nanovláknových tranzistorů. Mezi další komponenty zvýrazněné barevnými šipkami patří vyhřívací systém pro udržování teploty článků (modrá), elektrické vstupy (červená) a manipulátor pro pohyb článků (zelená).

Harvardská práce, vedená profesorem chemie a chemicko-biologie Charlesi drahý , je v popředí výzkumu v integraci nanodrátové nanotechnologie a biovědy, říká Zhong Lin Wang , profesor regentů v Centru pro charakterizaci nanostruktur na Georgia Tech.

Zařízení v nanoměřítku, která se elektricky propojují s buňkami, by mohla vést nejen k lepšímu pochopení původu nemocí, ale také k lepším neurálním protézám a dalším lékařským zařízením.

Lieber říká, že cílem jeho laboratoře je vyrábět elektrická zařízení, která se propojují s biologickými tkáněmi v biologicky smysluplném měřítku – jinými slovy v nanoměřítku. Buňky zpracovávají elektrické signály, protože tyto signály cestují po délce buňky; subcelulární elektrické zpracování, které probíhá například v neuronech, hraje důležitou roli v normálním a abnormálním učení a paměti. Pokud někdo chce pochopit, jak se signály šíří a proč se to neděje tak, jak by mělo u nemocí, jako je epilepsie nebo srdeční arytmie, musíte měřit na jemné škále, říká Lieber.

K vytvoření takových záznamů v jemném měřítku používá Lieber tranzistory vyrobené z křemíkových drátů o průměru pouhých desítek nanometrů. Nanodrátky se pěstují v reakční komoře, poté se vyrovnají na křemíkové destičce a dodávají se s kovovými elektrodami a propojeními. Až dosud vědci pěstovali buňky na čipu, aby propojili nanodráty s buňkami.

Uvědomili jsme si, že člověk nemusí nutně pěstovat buňky na substrátu, říká Lieber. Místo toho ve výzkumu popsaném online tento týden v Proceedings of the National Academy of Sciences Harvardská skupina pěstuje buňky na listech flexibilního polymeru. Samotné nanodrátky jsou přátelské k buňkám, ale tuhý křemíkový plátek není nejpřátelštějším místem pro růst biologických tkání. Pěstováním tkání odděleně na plastových substrátech mohou výzkumníci z Harvardu vytvořit lepší vzorky tkání, se kterými se bude pracovat. Lepší vzorky znamenají smysluplnější měření. A protože vědci z Harvardu mohou umístit tkáň přes nanodrátky pod mikroskopem, mohou si vybrat konkrétní oblasti tkáně nebo konkrétní buňky, ze kterých se budou zaznamenávat. Schopnost přivést již rostoucí skupinu buněk do kontaktu se záznamovým polem bude také rozhodující pro výrobu budoucích implantátů.

Modulární přístup je docela elegantní, říká Peidong Yang , profesor chemie na Kalifornské univerzitě v Berkeley. Yang použil nanodrátová pole ke studiu účinků elektrických vstupů na vývoj kmenových buněk.

Harvardská skupina dosud používala modulární systém k zaznamenávání elektrické aktivity v bušení srdečních tkání. V jednom experimentu, říká Lieber, byli schopni orientovat tkáň přes nanodrátová pole, aby vytvořili podrobné záznamy elektrických spojení mezi třemi srdečními buňkami. Rychlosti šíření nejsou jednotné a závisí na detailech jejich konektivity, říká. Například spojení mezi dvěma články vykazovalo větší elektrický odpor než mezi ostatními.

Abychom pochopili, co tato podrobná biofyzikální měření znamenají z hlediska zdraví a nemoci, bude jich třeba provést a analyzovat mnohem více. Ale, říká Yang, Lieberova práce ukazuje, že je možné provádět komplexní měření s vysokým prostorovým a časovým rozlišením.

Tato studie rozšiřuje aplikaci nanotechnologie pro buněčné rozhraní, což je pravděpodobně jedna z nejslibnějších biologických aplikací nanodrátů, dodává Nicholas Kotov , profesor chemického inženýrství na University of Michigan. Vývoj nanomateriálů pro tento účel může pomoci spoustě lidí s devastujícími chorobami souvisejícími s poruchou přenosu signálu mezi buňkami.

Lieber nyní používá modulární systém k pořizování záznamů z nervové tkáně, která je křehčí, a vyvíjí nové způsoby uspořádání nanodrátů. Jedním z důvodů, proč tyto drobné drátky mohou vytvořit tak dobré elektrické spojení s buňkami, je to, že velké množství povrchové plochy přichází do kontaktu s okolní tkání. Tím, že vytvoří pole nanodrátů s různými konfiguracemi, Lieber doufá, že odkryje ještě více povrchů drátů pro interakci s buňkami.

Skupina také pracuje na nanovláknových zařízeních, která mohou současně zaznamenávat elektrické i chemické signály. Lieberova předchozí práce ukázala, že nanovláknové tranzistory zdobené vazebnými molekulami mohou působit jako extrémně citlivé chemické senzory: jejich vodivost se mění předvídatelným způsobem, když se navážou na molekulu zájmu, jako je neurotransmiter. Současné zaznamenávání účinků elektrických signálů, hormonů, neurotransmiterů a dalších chemikálií by poskytlo ucelenější obraz biologických funkcí.

skrýt