211service.com
Bedre måde at forbinde celler på
At forstå, hvordan hjerne- og hjerteceller behandler og genererer elektriske signaler, kan føre til en ny forståelse af neurologiske sygdomme og hjertesygdomme. Indtil for få år siden var det dog simpelthen ikke muligt at lave elektriske optagelser på niveau med enkeltceller. I 2006 brugte Harvard-forskere nanotrådstransistorer til at måle elektriske signaler på 50 punkter langs en enkelt neuron. Nu har den samme forskergruppe udviklet et nyt nanotrådsoptagelsessystem og har brugt det til at fange nogle af de mest præcise elektriske optagelser af høj kvalitet, der nogensinde er lavet fra hjerteceller.
Cellesignaler : Celler dyrket på et fleksibelt plastiksubstrat, der er skitseret i rødt, placeres over et nanotrådtransistorarray ved hjælp af et mikroskop. Andre komponenter fremhævet med farvede pile inkluderer et varmesystem til at holde cellerne varme (blå), elektriske input (røde) og en manipulator til at flytte cellerne (grøn).
Harvard-arbejdet, ledet af professor i kemi og kemisk-biologi Charles kære , er på forkant med forskning i at integrere nanowire nanoteknologi og biovidenskab, siger Zhong Lin Wang , Regents Professor ved Center for Nanostructure Characterization, ved Georgia Tech.
Enheder i nanoskala, der forbinder elektrisk med celler, kan ikke kun føre til en bedre forståelse af sygdommens oprindelse, men også til bedre neurale proteser og andet medicinsk udstyr.
Lieber siger, at målet med hans laboratorium er at lave elektriske enheder, der interagerer med biologiske væv på en biologisk meningsfuld skala - med andre ord på nanoskala. Celler behandler elektriske signaler, når disse signaler bevæger sig ned langs en celle; den subcellulære elektriske behandling, der finder sted i neuroner, spiller for eksempel en vigtig rolle i normal og unormal indlæring og hukommelse. Hvis man vil forstå, hvordan signaler forplanter sig, og hvorfor det ikke sker på den måde, det skal ved sygdomme som epilepsi eller hjertearytmier, skal man måle i en fin skala, siger Lieber.
For at skabe sådanne optagelser i fin skala bruger Lieber transistorer lavet af siliciumtråde, der kun er titusinder af nanometer i diameter. Nanotrådene dyrkes i et reaktionskammer, justeres derefter på en siliciumwafer og forsynes med metalelektroder og sammenkoblinger. Indtil nu har forskere dyrket celler oven på en chip for at forbinde nanotråde med celler.
Vi erkendte, at man ikke nødvendigvis behøver at dyrke cellerne på substratet, siger Lieber. I stedet for forskning beskrevet online i denne uge i Proceedings of the National Academy of Sciences , dyrker Harvard-gruppen celler på ark af fleksibel polymer. Nanotråde er i sig selv cellevenlige, men en stiv siliciumwafer er ikke det hyggeligste sted for biologisk væv at vokse. Ved at dyrke vævene separat på plastiksubstrater kan Harvard-forskerne lave bedre vævsprøver at arbejde med. Bedre prøver betyder mere meningsfulde målinger. Og fordi Harvard-forskerne kan placere vævet over nanotrådene under et mikroskop, kan de vælge bestemte vævsområder eller bestemte celler, hvorfra de vil optage. At være i stand til at bringe en allerede voksende gruppe af celler i kontakt med et registreringssystem vil også være afgørende for at lave fremtidige implantater.
Den modulære tilgang er ret elegant, siger Peidong Yang , professor i kemi ved University of California, Berkeley. Yang har brugt nanowire-arrays til at studere virkningerne af elektriske input på stamcelleudvikling.
Hidtil har Harvard-gruppen brugt det modulære system til at registrere elektrisk aktivitet i bankende hjertevæv. I et eksperiment, siger Lieber, var de i stand til at orientere vævet over nanotrådsarrayerne for at lave detaljerede optagelser af de elektriske forbindelser mellem tre hjerteceller. Udbredelseshastighederne er ikke ensartede og afhænger af detaljerne i deres tilslutningsmuligheder, siger han. For eksempel viste forbindelsen mellem to af cellerne mere elektrisk modstand end mellem andre.
For at forstå, hvad disse detaljerede biofysiske målinger betyder med hensyn til sundhed og sygdom, skal mange flere af dem laves og analyseres. Men, siger Yang, Liebers arbejde viser, at det er muligt at lave komplekse, høje rumlige og tidsmæssige opløsningsmålinger.
Denne undersøgelse udvider anvendelsen af nanoteknologi til cellegrænseflader, som sandsynligvis er en af de mest lovende biologiske anvendelser af nanotråde, tilføjer Nicholas Kotov , professor i kemiteknik ved University of Michigan. Udvikling af nanomaterialer til dette formål kan hjælpe en masse mennesker med ødelæggende sygdomme relateret til nedbrydning af signaltransmission mellem celler.
Lieber bruger nu det modulære system til at lave optagelser fra neuralt væv, som er mere skrøbeligt, og han er ved at udvikle nye måder at arrangere nanotrådene på. En grund til, at disse små ledninger kan skabe så gode elektriske forbindelser med celler, er, at en stor mængde overfladeareal kommer i kontakt med det omgivende væv. Ved at lave nanowire-arrays med forskellige konfigurationer håber Lieber at blotlægge endnu flere af ledningernes overflader for interaktion med celler.
Gruppen arbejder også på nanowire-enheder, der samtidigt kan optage både elektriske og kemiske signaler. Liebers tidligere arbejde har vist, at nanotrådstransistorer dekoreret med bindende molekyler kan fungere som ekstremt følsomme kemiske sensorer: deres ledningsevne ændres på en forudsigelig måde, når de binder til et molekyle af interesse, såsom en neurotransmitter. Samtidig registrering af virkningerne af elektriske signaler, hormoner, neurotransmittere og andre kemikalier ville give et mere integreret billede af biologiske funktioner.