مشاهده سیگنال های الکتریکی در سیستم های بیولوژیکی به دانشمندان کمک می کند تا نحوه ارتباط سلول ها را درک کنند که می تواند به تشخیص و درمان بیماری هایی مانند آریتمی و آلزایمر کمک کند.
اما دستگاه‌هایی که سیگنال‌های الکتریکی را در کشت‌های سلولی و سایر رسانه‌های مایع ضبط می‌کنند، اغلب از سیم برای اتصال هر الکترود دستگاه به تقویت‌کننده مربوطه استفاده می‌کنند. از آنجایی که تنها تعداد زیادی کابل را می توان به دستگاه متصل کرد، این امر تعداد مکان های ضبط را محدود می کند و اطلاعاتی را که می توان از سلول ها جمع آوری کرد محدود می کند.
محققان MIT اکنون یک تکنیک حسگر زیستی ایجاد کرده اند که نیاز به سیم را از بین می برد. در عوض، آنتن های بی سیم کوچک از نور برای تشخیص سیگنال های الکتریکی کوچک استفاده می کنند.
تغییرات الکتریکی کوچک در محیط مایع اطراف، نحوه پراکندگی نور توسط آنتن ها را تغییر می دهد. محققان با استفاده از مجموعه ای از آنتن های کوچک، هر یک به اندازه عرض یک صدم موی انسان، می توانند سیگنال های الکتریکی رد و بدل شده بین سلول ها را با وضوح فضایی استثنایی اندازه گیری کنند.
دستگاه‌هایی که به اندازه کافی بادوام هستند تا سیگنال‌ها را برای بیش از 10 ساعت به طور مداوم ضبط کنند، می‌توانند به زیست‌شناسان کمک کنند تا بفهمند سلول‌ها چگونه در پاسخ به تغییرات محیط خود با هم ارتباط برقرار می‌کنند. در دراز مدت، چنین بینش های علمی می تواند راه را برای پیشرفت در تشخیص هموار کند، توسعه درمان های هدفمند را تحریک کند، و دقت بیشتری را در ارزیابی درمان های جدید فراهم کند.
«توانایی ثبت فعالیت الکتریکی سلول‌ها با توان عملیاتی بالا و وضوح بالا همچنان یک چالش واقعی است. ما باید ایده‌های نوآورانه و روش‌های جایگزین را امتحان کنیم.»
جاد هانا، دانشجوی مهمان در آزمایشگاه رسانه به گزارش می‌پیوندند. دانشجوی سابق رافائل اوسیلیو. فوق دکترای سابق مارتا جی آی ایراگی لکاردی؛ یانگ یو، دانشمند Raith America, Inc. و نویسنده ارشد دبلینا سرکار، استادیار توسعه شغلی AT&T در آزمایشگاه رسانه و مرکز مهندسی عصبی زیست‌شناسی MIT و رئیس آزمایشگاه نانو سایبرنتیک Biotrek. این تحقیق امروز در پیشرفت علمی.
بیوالکتریکی برای عملکرد سلول‌ها و فرآیندهای مختلف زندگی ضروری است. اما ثبت دقیق چنین سیگنال های الکتریکی یک چالش است. آنتن‌های آلی پراکنده الکتریکی (OCEAN) که ما توسعه داده‌ایم، امکان ضبط بی‌سیم سیگنال‌های الکتریکی با وضوح فضایی میکرومتری را از هزاران مکان ضبط به طور همزمان فراهم می‌کنند. این می‌تواند فرصت‌های بی‌سابقه‌ای برای درک زیست‌شناسی اساسی و سیگنال‌های تغییر یافته در وضعیت‌های بیماری، و همچنین غربالگری اثر درمان‌های مختلف برای فعال کردن درمان‌های جدید ایجاد کند.
بیوسنینگ با نور
محققان تصمیم گرفتند یک حسگر زیستی طراحی کنند که نیازی به کابل یا تقویت کننده نداشته باشد. استفاده از چنین وسیله ای توسط زیست شناسانی که ممکن است با ابزارهای الکترونیکی آشنایی نداشته باشند، آسان تر خواهد بود.
دزبیول می‌گوید: «ما نمی‌دانیم که آیا می‌توانیم دستگاهی بسازیم که سیگنال‌های الکتریکی را به نور تبدیل کند و سپس از یک میکروسکوپ نوری مانند شما در هر آزمایشگاه زیست‌شناسی برای مطالعه آن سیگنال‌ها استفاده کنیم.
در ابتدا، آنها از یک پلیمر ویژه به نام PEDOT:PSS برای طراحی مبدل های نانومقیاس استفاده کردند که قطعات ریز رشته طلا را در خود جای داده است. نانوذرات طلا قرار بود نور را پراکنده کنند، فرآیندی که توسط پلیمر القا و مدوله می‌شود. اما نتایج با مدل نظری آنها مطابقت نداشت.
محققان سعی کردند طلا را از بین ببرند و در کمال تعجب، نتایج با الگوی بسیار نزدیک‌تر مطابقت داشت.
«معلوم شد که ما سیگنال‌های طلا را اندازه‌گیری نمی‌کنیم، بلکه از خود پلیمر می‌سنجیم. این یک نتیجه بسیار شگفت انگیز اما هیجان انگیز بود. ما بر اساس این کشف برای توسعه آنتن های الکتروپراکنده ارگانیک ساخته شدیم.”
آنتن های ارگانیک الکترواسکاتر یا OCEAN از PEDOT:PSS تشکیل شده اند. این پلیمر هنگامی که فعالیت الکتریکی در نزدیکی آن وجود دارد، یون های مثبت را از سیال اطراف جذب یا دفع می کند. این امر پیکربندی شیمیایی و ساختار الکترونیکی آن را تغییر می‌دهد و خاصیت نوری به نام ضریب شکست آن را تغییر می‌دهد که نحوه پراکندگی نور را تغییر می‌دهد.
هنگامی که محققان نور را به آنتن می‌تابانند، شدت نور متناسب با سیگنال الکتریکی موجود در مایع تغییر می‌کند.
با هزاران یا حتی میلیون ها آنتن کوچک در یک آرایه که هر یک فقط 1 میکرومتر عرض دارند، محققان می توانند نور پراکنده شده را با میکروسکوپ نوری گرفته و سیگنال های الکتریکی سلول ها را با وضوح بالا اندازه گیری کنند. از آنجایی که هر آنتن یک حسگر مستقل است، محققان مجبور نیستند مشارکت چندین آنتن را برای مشاهده سیگنال های الکتریکی ترکیب کنند، به همین دلیل است که OCEAN ها می توانند سیگنال ها را با وضوح میکرومتر تشخیص دهند.
در نظر گرفته شده برای آزمایشگاهی در مطالعات، آرایه‌های OCEAN به گونه‌ای طراحی شدند که سلول‌ها را مستقیماً روی آنها کشت داده و برای تجزیه و تحلیل در زیر میکروسکوپ نوری قرار دهند.
آنتن های “رشد” روی یک تراشه
کلید این دستگاه ها دقتی است که محققان می توانند آرایه هایی را در تاسیسات MIT.nano تولید کنند.
آنها با یک بستر شیشه ای و لایه های لایه ای از مواد رسانا و سپس عایق در بالا شروع می شوند که هر کدام از نظر نوری شفاف هستند. سپس از یک پرتو یون متمرکز برای برش صدها سوراخ در مقیاس نانو در لایه های بالایی دستگاه استفاده می کنند. این نوع خاص از پرتو یون متمرکز، نانوساخت با توان عملیاتی بالا را امکان پذیر می کند.
او می گوید: «این ابزار اساساً مانند یک خودکار است که در آن می توانید هر چیزی را با وضوح 10 نانومتری حکاکی کنید.
آنها تراشه را در محلولی غوطه ور می کنند که حاوی بلوک های سازنده پیش ساز پلیمر است. با اعمال جریان الکتریکی به محلول، این ماده پیش ساز به سوراخ های کوچک روی تراشه جذب می شود و آنتن های قارچی شکل از پایین به بالا “رشد” می کنند.
کل فرآیند تولید نسبتا سریع است و محققان می توانند از این تکنیک برای ساخت تراشه با میلیون ها آنتن استفاده کنند.
“این تکنیک را می توان به راحتی به گونه ای سازگار کرد که کاملاً مقیاس پذیر باشد. عامل محدود کننده این است که چند آنتن را می توانیم همزمان بگیریم.»
محققان ابعاد آنتن ها را بهینه کردند و پارامترها را تنظیم کردند که به آنها اجازه می داد در آزمایش های شبیه سازی شده به حساسیت کافی برای نظارت بر سیگنال های با ولتاژ تا 2.5 میلی ولت دست یابند. سیگنال هایی که توسط نورون ها برای برقراری ارتباط ارسال می شود معمولاً حدود 100 میلی ولت است.
او می‌گوید: «از آنجایی که ما زمان زیادی صرف کرده‌ایم تا مدل تئوری پشت این فرآیند را درک کنیم، می‌توانیم حساسیت آنتن‌ها را به حداکثر برسانیم.
OCEAN همچنین به تغییر سیگنال‌ها تنها در چند میلی‌ثانیه پاسخ داد و به آنها اجازه داد سیگنال‌های الکتریکی را با سینتیک سریع ضبط کنند. در حرکت رو به جلو، محققان می خواهند دستگاه ها را با کشت سلولی واقعی آزمایش کنند. آنها همچنین می خواهند شکل آنتن ها را تغییر دهند تا بتوانند به غشای سلولی نفوذ کنند و امکان تشخیص دقیق سیگنال را فراهم کنند.
علاوه بر این، آنها می خواهند کشف کنند که چگونه OCEAN ها را می توان در دستگاه های نانوفوتونیکی که نور را در مقیاس نانو برای سنسورهای نسل بعدی و دستگاه های نوری دستکاری می کنند، ادغام کرد.
این تحقیق تا حدی توسط مؤسسه ملی بهداشت ایالات متحده و بنیاد ملی علوم سوئیس تأمین شده است. تحقیقات گزارش شده در این خبر توسط موسسه ملی قلب، ریه و خون (NHLBI) مؤسسه ملی سلامت پشتیبانی می‌شود و لزوماً بیانگر دیدگاه‌های رسمی NIH نیست.
