211service.com
Bättre sätt att koppla upp celler
Att förstå hur hjärn- och hjärtceller bearbetar och genererar elektriska signaler kan leda till en ny förståelse av neurologiska och hjärtsjukdomar. Fram till för några år sedan var det dock helt enkelt inte möjligt att göra elektriska inspelningar på nivå med enstaka celler. 2006 använde Harvard-forskare nanotrådstransistorer för att mäta elektriska signaler vid 50 punkter längs en enda neuron. Nu har samma forskargrupp utvecklat ett nytt nanotrådsinspelningssystem och har använt det för att fånga några av de mest exakta, högkvalitativa elektriska inspelningarna som någonsin gjorts från hjärtceller.
Cellsignaler : Celler odlade på ett flexibelt plastsubstrat med rött skiss placeras över en nanotrådstransistoruppsättning med hjälp av ett mikroskop. Andra komponenter markerade med färgade pilar inkluderar ett värmesystem för att hålla cellerna varma (blå), elektriska ingångar (röda) och en manipulator för att flytta cellerna (grön).
Harvard-arbetet, ledd av professor i kemi och kemibiologi Kära Charles , ligger i spetsen för forskning när det gäller att integrera nanotrådsnanoteknologi och biovetenskap, säger Zhong Lin Wang , Regents Professor vid Center for Nanostructure Characterization, vid Georgia Tech.
Utrustning i nanoskala som sammankopplar elektriskt med celler kan inte bara leda till en bättre förståelse av sjukdomens ursprung, utan också till bättre neurala proteser och annan medicinsk utrustning.
Lieber säger att målet med hans labb är att göra elektriska apparater som samverkar med biologiska vävnader i en biologiskt meningsfull skala - med andra ord i nanoskala. Celler bearbetar elektriska signaler när dessa signaler färdas längs med en cell; den subcellulära elektriska bearbetningen som sker i neuroner, till exempel, spelar en viktig roll i normal och onormal inlärning och minne. Om man vill förstå hur signaler sprider sig och varför det inte blir som det ska vid sjukdomar som epilepsi eller hjärtrytmrubbningar, måste man mäta i en fin skala, säger Lieber.
För att skapa sådana finskaliga inspelningar använder Lieber transistorer gjorda av silikontrådar bara tiotals nanometer i diameter. Nanotrådarna odlas i en reaktionskammare, riktas sedan upp på en kiselskiva och förses med metallelektroder och sammankopplingar. Fram till nu har forskare odlat celler ovanpå ett chip för att kunna koppla nanotrådar till celler.
Vi insåg att man inte nödvändigtvis behöver odla cellerna på substratet, säger Lieber. Istället, i forskning som beskrivs online denna vecka i Proceedings of the National Academy of Sciences , Harvard-gruppen odlar celler på ark av flexibel polymer. Nanotrådar i sig är cellvänliga, men en stel kiselwafer är inte den vänligaste platsen för biologiska vävnader att växa. Genom att odla vävnaderna separat på plastsubstrat kan Harvard-forskarna göra bättre vävnadsprover att arbeta med. Bättre prover innebär mer meningsfulla mätningar. Och eftersom Harvard-forskarna kan placera vävnaden över nanotrådarna under ett mikroskop, kan de välja särskilda vävnadsområden eller särskilda celler att spela in från. Att kunna föra en redan växande grupp celler i kontakt med en inspelningsuppsättning kommer också att vara avgörande för att göra framtida implantat.
Det modulära tillvägagångssättet är ganska elegant, säger Peidong Yang , professor i kemi vid University of California, Berkeley. Yang har använt nanotrådarrayer för att studera effekterna av elektriska ingångar på stamcellsutveckling.
Hittills har Harvard-gruppen använt det modulära systemet för att registrera elektrisk aktivitet i hjärtvävnad som slår. I ett experiment, säger Lieber, kunde de orientera vävnaden över nanotrådarrayerna för att göra detaljerade inspelningar av de elektriska anslutningarna mellan tre hjärtceller. Utbredningshastigheterna är inte enhetliga och beror på detaljerna i deras anslutning, säger han. Till exempel visade kopplingen mellan två av cellerna mer elektriskt motstånd än mellan andra.
För att förstå vad dessa detaljerade biofysiska mätningar betyder i termer av hälsa och sjukdom, kommer många fler av dem att behöva göras och analyseras. Men, säger Yang, Liebers arbete visar att det är möjligt att göra komplexa mätningar med hög rumslig och tidsmässig upplösning.
Denna studie utökar tillämpningen av nanoteknik för cellgränssnitt, vilket förmodligen är en av de mest lovande biologiska tillämpningarna av nanotrådar, tillägger Nicholas Kotov , professor i kemiteknik vid University of Michigan. Utveckling av nanomaterial för detta ändamål kan hjälpa många människor med förödande sjukdomar relaterade till nedbrytningen av signalöverföring mellan celler.
Lieber använder nu det modulära systemet för att göra inspelningar från neural vävnad, som är mer ömtålig, och han utvecklar nya sätt att arrangera nanotrådarna. En anledning till att dessa små trådar kan göra så bra elektriska förbindelser med celler är att en stor del av ytan kommer i kontakt med den omgivande vävnaden. Genom att göra nanotrådar med olika konfigurationer hoppas Lieber kunna exponera ännu fler av trådarnas ytor för interaktion med celler.
Gruppen arbetar också med nanotrådsenheter som samtidigt kan spela in både elektriska och kemiska signaler. Liebers tidigare arbete har visat att nanotrådstransistorer dekorerade med bindande molekyler kan fungera som extremt känsliga kemiska sensorer: deras konduktivitet förändras på ett förutsägbart sätt när de binder till en molekyl av intresse, såsom en neurotransmittor. Att samtidigt registrera effekterna av elektriska signaler, hormoner, neurotransmittorer och andra kemikalier skulle ge en mer integrerad bild av biologiska funktioner.