211service.com
Betere manier om cellen te verbinden
Begrijpen hoe hersen- en hartcellen elektrische signalen verwerken en genereren, zou kunnen leiden tot een nieuw begrip van neurologische en hartziekten. Tot een paar jaar geleden was het echter eenvoudigweg niet mogelijk om op het niveau van afzonderlijke cellen elektrische opnames te maken. In 2006 gebruikten onderzoekers van Harvard nanodraadtransistors om elektrische signalen te meten op 50 punten langs een enkel neuron. Nu heeft dezelfde onderzoeksgroep een nieuw nanodraadopnamesysteem ontwikkeld en dit gebruikt om enkele van de meest nauwkeurige, hoogwaardige elektrische opnamen te maken die ooit van hartcellen zijn gemaakt.
cel signalen : Cellen die zijn gegroeid op een flexibel plastic substraat dat in rood is omlijnd, worden met behulp van een microscoop over een nanodraadtransistorarray geplaatst. Andere componenten gemarkeerd met gekleurde pijlen zijn onder meer een verwarmingssysteem om de cellen warm te houden (blauw), elektrische ingangen (rood) en een manipulator voor het verplaatsen van de cellen (groen).
Het werk van Harvard, geleid door professor scheikunde en scheikunde-biologie Charles Beste , loopt voorop in onderzoek naar de integratie van nanodraad-nanotechnologie en biowetenschap, zegt Zhong Lin Wang , Regents Professor bij het Center for Nanostructure Characterization, aan Georgia Tech.
Apparaten op nanoschaal die elektrisch communiceren met cellen kunnen niet alleen leiden tot een beter begrip van de oorsprong van ziekten, maar ook tot betere neurale prothesen en andere medische apparaten.
Lieber zegt dat het doel van zijn laboratorium is om elektrische apparaten te maken die een interface vormen met biologische weefsels op een biologisch betekenisvolle schaal, met andere woorden, op nanoschaal. Cellen verwerken elektrische signalen terwijl die signalen door de lengte van een cel reizen; de subcellulaire elektrische verwerking die plaatsvindt in bijvoorbeeld neuronen, speelt een belangrijke rol bij normaal en abnormaal leren en geheugen. Als je wilt begrijpen hoe signalen zich voortplanten en waarom het niet gebeurt zoals het zou moeten bij ziekten zoals epilepsie of hartritmestoornissen, moet je op kleine schaal meten, zegt Lieber.
Om zulke fijne opnamen te maken, gebruikt Lieber transistors gemaakt van siliciumdraden met een diameter van slechts tientallen nanometers. De nanodraden worden gekweekt in een reactiekamer, vervolgens uitgelijnd op een siliciumwafel en voorzien van metalen elektroden en verbindingen. Tot nu toe hebben onderzoekers cellen op een chip gekweekt om nanodraden met cellen te verbinden.
We zagen in dat je de cellen niet per se op het substraat hoeft te laten groeien, zegt Lieber. In plaats daarvan, in onderzoek dat deze week online is beschreven in de Proceedings van de National Academy of Sciences , laat de Harvard-groep cellen groeien op vellen flexibel polymeer. Nanodraden zelf zijn celvriendelijk, maar een stijve siliciumwafel is niet de vriendelijkste plek voor biologische weefsels om te groeien. Door de weefsels apart op plastic substraten te kweken, kunnen de Harvard-onderzoekers betere weefselmonsters maken om mee te werken. Betere steekproeven betekent dat er meer zinvolle metingen. En omdat de Harvard-onderzoekers het weefsel onder een microscoop over de nanodraden kunnen plaatsen, kunnen ze bepaalde weefselgebieden of bepaalde cellen kiezen om op te nemen. In staat zijn om een reeds groeiende groep cellen in contact te brengen met een opnamearray zal ook van cruciaal belang zijn voor het maken van toekomstige implantaten.
De modulaire aanpak is vrij elegant, zegt Peidong Yang , een professor in de chemie aan de University of California, Berkeley. Yang heeft nanodraadarrays gebruikt om de effecten van elektrische input op de ontwikkeling van stamcellen te bestuderen.
Tot nu toe heeft de Harvard-groep het modulaire systeem gebruikt om elektrische activiteit in kloppend hartweefsel te registreren. In één experiment, zegt Lieber, waren ze in staat om het weefsel over de nanodraadarrays te oriënteren om gedetailleerde opnames te maken van de elektrische verbindingen tussen drie hartcellen. De voortplantingssnelheden zijn niet uniform en afhankelijk van de details van hun connectiviteit, zegt hij. De verbinding tussen twee van de cellen vertoonde bijvoorbeeld meer elektrische weerstand dan tussen andere.
Om te begrijpen wat deze gedetailleerde biofysische metingen betekenen in termen van gezondheid en ziekte, zullen er nog veel meer moeten worden gedaan en geanalyseerd. Maar, zegt Yang, Liebers werk laat zien dat het doen van complexe metingen met een hoge ruimtelijke en temporele resolutie haalbaar is.
Deze studie breidt de toepassing van nanotechnologie voor celinterfacing uit, wat waarschijnlijk een van de meest veelbelovende biologische toepassingen van nanodraden is, voegt toe Nicholas Kotov , een professor in chemische technologie aan de Universiteit van Michigan. De ontwikkeling van nanomaterialen voor dit doel kan veel mensen helpen met verwoestende ziekten die verband houden met de afbraak van signaaloverdracht tussen cellen.
Lieber gebruikt het modulaire systeem nu om opnames te maken van zenuwweefsel, dat kwetsbaarder is, en hij ontwikkelt nieuwe manieren om de nanodraden te rangschikken. Een reden dat deze kleine draadjes zulke goede elektrische verbindingen met cellen kunnen maken, is dat een groot deel van het oppervlak in contact komt met het omringende weefsel. Door nanodraadarrays met verschillende configuraties te maken, hoopt Lieber nog meer van de oppervlakken van de draden bloot te leggen voor interactie met cellen.
De groep werkt ook aan nanodraadapparaten die tegelijkertijd zowel elektrische als chemische signalen kunnen opnemen. Liebers eerdere werk heeft aangetoond dat nanodraadtransistors versierd met bindende moleculen kunnen fungeren als extreem gevoelige chemische sensoren: hun geleidbaarheid verandert op een voorspelbare manier wanneer ze binden aan een molecuul van belang, zoals een neurotransmitter. Het gelijktijdig vastleggen van de effecten van elektrische signalen, hormonen, neurotransmitters en andere chemicaliën zou een meer geïntegreerd beeld geven van biologische functies.