Yüksek çözünürlüklü, kablosuz bir biyoalgılama cihazının parçası olan antenler, araştırmacıların hücreler tarafından gönderilen karmaşık elektrik sinyallerinin kodunu çözmesine yardımcı olabilir.
Biyolojik sistemlerdeki elektrik sinyallerinin izlenmesi, bilim adamlarının hücrelerin nasıl iletişim kurduğunu anlamalarına yardımcı olur ve bu da aritmi ve Alzheimer gibi durumların teşhis ve tedavisine yardımcı olabilir.
Ancak hücre kültürlerindeki ve diğer sıvı ortamlardaki elektrik sinyallerini kaydeden cihazlar, cihazdaki her elektrotu ilgili amplifikatöre bağlamak için sıklıkla kablolar kullanır. Cihaza yalnızca belirli sayıda kablo bağlanabildiği için bu, kayıt alanlarının sayısını kısıtlayarak hücrelerden toplanabilecek bilgileri sınırlandırır.
MIT araştırmacıları artık kablo ihtiyacını ortadan kaldıran bir biyoalgılama tekniği geliştirdi. Bunun yerine küçük, kablosuz antenler, çok küçük elektrik sinyallerini algılamak için ışık kullanıyor.
Çevredeki sıvı ortamdaki küçük elektriksel değişiklikler, antenlerin ışığı dağıtma şeklini değiştirir. Araştırmacılar, her biri insan saçının yüzde biri genişliğinde olan bir dizi küçük anten kullanarak, hücreler arasında değiş tokuş edilen elektrik sinyallerini son derece uzamsal çözünürlükle ölçebildiler.
Sinyalleri 10 saatten fazla sürekli olarak kaydedebilecek kadar dayanıklı olan cihazlar, biyologların hücrelerin çevrelerindeki değişikliklere yanıt olarak nasıl iletişim kurduğunu anlamalarına yardımcı olabilir. Uzun vadede, bu tür bilimsel bilgiler tanıda ilerlemelerin önünü açabilir, hedefe yönelik tedavilerin geliştirilmesini teşvik edebilir ve yeni tedavilerin değerlendirilmesinde daha fazla hassasiyet sağlayabilir.
MIT Medya Laboratuarı'nda eski bir doktora sonrası araştırmacısı ve bir makalenin başyazarı olan Benoît Desbiolles, “Hücrelerin elektriksel aktivitesini yüksek verim ve yüksek çözünürlükle kaydedebilmek gerçek bir sorun olmaya devam ediyor. Bazı yenilikçi fikirleri ve alternatif yaklaşımları denememiz gerekiyor” diyor. Cihazların üzerindeki kağıt.
Makalede kendisine Medya Laboratuvarı'nda misafir öğrenci olan Jad Hanna eşlik ediyor; eski misafir öğrenci Raphael Ausilio; eski doktora sonrası araştırmacı Marta JI Airaghi Leccardi; Raith America, Inc.'den bir bilim adamı olan Yang Yu; ve kıdemli yazar Deblina Sarkar, Medya Laboratuvarı ve MIT Nörobiyolojik Mühendislik Merkezi'nde AT&T Kariyer Geliştirme Yardımcı Doçenti ve Nano-Sibernetik Biotrek Laboratuvarı başkanı. Araştırma bugün ortaya çıktı Bilim Gelişmeleri.
Sarkar, “Biyoelektrik, hücrelerin işleyişi ve farklı yaşam süreçleri için temeldir. Ancak bu tür elektrik sinyallerini tam olarak kaydetmek zorlayıcıydı” diyor. “Geliştirdiğimiz organik elektro-saçılım antenleri (OCEAN'lar), binlerce kayıt alanından aynı anda elektrik sinyallerinin mikrometre uzamsal çözünürlükle kablosuz olarak kaydedilmesine olanak tanıyor. Bu, temel biyolojiyi ve hastalıklı durumlarda değişen sinyalleşmeyi anlamak ve aynı zamanda hastalıklı durumlardaki değişen sinyalleri taramak için benzeri görülmemiş fırsatlar yaratabilir. Yeni tedavileri mümkün kılmak için farklı terapötiklerin etkisi.”
Işıkla biyosensör
Araştırmacılar, kablolara veya amplifikatörlere ihtiyaç duymayan bir biyoalgılama cihazı tasarlamaya koyuldu. Böyle bir cihazın elektronik cihazlara aşina olmayan biyologlar için kullanımı daha kolay olacaktır.
Desbiolles, “Elektrik sinyallerini ışığa dönüştüren ve ardından bu sinyalleri araştırmak için her biyoloji laboratuvarında bulunan türden bir optik mikroskop kullanan bir cihaz yapıp yapamayacağımızı merak ettik” diyor.
Başlangıçta, küçük altın filaman parçalarını içeren nano ölçekli dönüştürücüler tasarlamak için PEDOT:PSS adı verilen özel bir polimer kullandılar. Altın nanopartiküllerinin ışığı dağıtması gerekiyordu; bu işlem polimer tarafından tetiklenecek ve modüle edilecekti. Ancak sonuçlar teorik modelleriyle eşleşmiyordu.
Araştırmacılar altını çıkarmayı denediler ve şaşırtıcı bir şekilde sonuçlar modele çok daha yakın bir şekilde eşleşti.
“Görünüşe göre altından değil, polimerin kendisinden gelen sinyalleri ölçüyoruz. Bu çok şaşırtıcı ama heyecan verici bir sonuçtu. Organik elektro-saçılım antenleri geliştirmek için bu bulguyu temel aldık” diyor.
Organik elektro-saçılım antenleri veya OCEAN'lar PEDOT:PSS'den oluşur. Bu polimer, yakınlarda elektriksel aktivite olduğunda çevredeki sıvı ortamdan pozitif iyonları çeker veya iter. Bu, kimyasal konfigürasyonunu ve elektronik yapısını değiştirerek kırılma indisi olarak bilinen ve ışığı nasıl dağıttığını değiştiren optik özelliği değiştirir.
Araştırmacılar antene ışık tuttuklarında ışığın yoğunluğu sıvıda mevcut olan elektrik sinyaliyle orantılı olarak değişiyor.
Her biri yalnızca 1 mikrometre genişliğinde olan binlerce hatta milyonlarca minik antenle araştırmacılar, dağınık ışığı bir optik mikroskopla yakalayabiliyor ve hücrelerden gelen elektrik sinyallerini yüksek çözünürlükle ölçebiliyor. Her anten bağımsız bir sensör olduğundan, araştırmacıların elektrik sinyallerini izlemek için birden fazla antenin katkısını birleştirmesine gerek yok; bu nedenle OCEAN'lar sinyalleri mikrometre çözünürlüğünde algılayabiliyor.
İn vitro çalışmalar için tasarlanan OCEAN dizileri, hücrelerin doğrudan üstlerinde kültürleneceği ve analiz için optik mikroskop altına yerleştirileceği şekilde tasarlanmıştır.
Bir çip üzerinde “büyüyen” antenler
Cihazların anahtarı, araştırmacıların MIT.nano tesislerinde diziler üretebilmelerindeki hassasiyettir.
Bir cam alt tabaka ile başlarlar ve her biri optik olarak şeffaf olan iletken ve ardından yalıtkan malzeme katmanlarını üstüne bırakırlar. Daha sonra, cihazın üst katmanlarında yüzlerce nano ölçekli delik açmak için odaklanmış bir iyon ışını kullanıyorlar. Bu özel odaklanmış iyon ışını türü, yüksek verimli nanofabrikasyonu mümkün kılar.
“Bu alet temel olarak 10 nanometre çözünürlükte her şeyi kazıyabileceğiniz bir kaleme benziyor” diyor.
Çipi, polimerin öncül yapı taşlarını içeren bir çözeltiye batırırlar. Çözeltiye bir elektrik akımı uygulandığında, bu öncü malzeme çip üzerindeki küçük deliklere çekilir ve mantar şeklindeki antenler aşağıdan yukarıya doğru “büyüür”.
Üretim sürecinin tamamı nispeten hızlı ve araştırmacılar bu tekniği milyonlarca antenli bir çip yapmak için kullanabilirler.
“Bu teknik tamamen ölçeklenebilir olacak şekilde kolayca uyarlanabilir. Sınırlayıcı faktör, aynı anda kaç anteni görüntüleyebileceğimizdir” diyor.
Araştırmacılar antenlerin boyutlarını optimize etti ve parametreleri ayarladı; bu, simüle edilmiş deneylerde 2,5 milivolt kadar düşük voltajlara sahip sinyalleri izlemek için yeterince yüksek hassasiyet elde etmelerini sağladı. Nöronların iletişim için gönderdiği sinyaller genellikle 100 milivolt civarındadır.
“Bu sürecin arkasındaki teorik modeli gerçekten derinlemesine inceleyip anlamaya zaman ayırdığımız için antenlerin hassasiyetini en üst düzeye çıkarabiliyoruz” diyor.
OCEAN'lar ayrıca değişen sinyallere yalnızca birkaç milisaniyede yanıt vererek elektrik sinyallerini hızlı kinetikle kaydetmelerine olanak sağladı. İleriye dönük olarak araştırmacılar, cihazları gerçek hücre kültürleriyle test etmek istiyor. Ayrıca antenleri hücre zarlarına nüfuz edebilecek şekilde yeniden şekillendirmek ve böylece daha hassas sinyal algılamayı sağlamak istiyorlar.
Ek olarak, OCEAN'ların yeni nesil sensörler ve optik cihazlar için nano ölçekte ışığı manipüle eden nanofotonik cihazlara nasıl entegre edilebileceğini araştırmak istiyorlar.
Bu basın bülteninde bildirilen araştırma, Ulusal Sağlık Enstitüleri'ne bağlı Ulusal Kalp, Akciğer ve Kan Enstitüsü (NHLBI) tarafından desteklenmiştir ve NIH'nin resmi görüşlerini temsil etmeyebilir.
Makale: “Organik elektro-saçılım anteni: Elektrik potansiyellerinin yüksek uzaysal çözünürlüğe sahip kablosuz ve çok bölgeli araştırılması”
