Cell Rover: het verkennen en vergroten van de innerlijke wereld van een cel

Onderzoekers van het MIT Media Lab hebben een miniatuurantenne ontworpen die draadloos kan werken in een levende cel, wat mogelijkheden biedt voor medische diagnostiek en behandeling en andere wetenschappelijke processen vanwege het potentieel van de antenne voor het bewaken en zelfs sturen van cellulaire activiteit in realtime.

“Het meest opwindende aspect van dit onderzoek is dat we cyborgs op cellulaire schaal kunnen maken”, zegt Deblina Sarkar, assistent-professor en AT&T Career Development Chair bij het MIT Media Lab en hoofd van het Nano-Cybernetic Biotrek Lab. “We zijn in staat om de veelzijdigheid van informatietechnologie samen te smelten op het niveau van cellen, de bouwstenen van de biologie.”

Een paper waarin het onderzoek wordt beschreven, is vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie.

De technologie, door de onderzoekers Cell Rover genoemd, is de eerste demonstratie van een antenne die in een cel kan werken en compatibel is met biologische 3D-systemen. Typische bio-elektronische interfaces, zegt Sarkar, zijn millimeters of zelfs centimeters groot en zijn niet alleen zeer invasief, maar bieden ook niet de resolutie die nodig is om draadloos met afzonderlijke cellen te communiceren, vooral gezien het feit dat veranderingen aan zelfs één cel een heel organisme kunnen beïnvloeden.

De door Sarkars team ontwikkelde antenne is veel kleiner dan een cel. In feite, in het onderzoek van het team met eicelcellen, vertegenwoordigde de antenne minder dan 0,05 procent van het celvolume, waardoor het ruim onder een grootte bleef die de cel zou binnendringen en beschadigen.

Het was een grote uitdaging om een ​​manier te vinden om een ​​antenne van dat formaat te bouwen om in een cel te werken.

Dit komt omdat conventionele antennes qua grootte vergelijkbaar moeten zijn met de golflengte van de elektromagnetische golven die ze uitzenden en ontvangen. Dergelijke golflengten zijn erg groot – ze vertegenwoordigen de snelheid van het licht gedeeld door de golffrequentie. Tegelijkertijd is het verhogen van de frequentie om die verhouding en de grootte van de antenne te verkleinen contraproductief omdat hoge frequenties warmte produceren die schadelijk is voor levend weefsel.

De door de Media Lab-onderzoekers ontwikkelde antenne zet elektromagnetische golven om in akoestische golven, waarvan de golflengten vijf ordes van grootte kleiner zijn – de snelheid van het geluid gedeeld door de golffrequentie – dan die van de elektromagnetische golven.

Deze omzetting van elektromagnetische naar akoestische golven wordt bereikt door de miniatuurantennes te vervaardigen met materiaal dat magnetostrictief wordt genoemd. Wanneer een magnetisch veld op de antenne wordt aangelegd, waardoor deze wordt gevoed en geactiveerd, worden magnetische domeinen in het magnetostrictieve materiaal uitgelijnd met het veld, waardoor spanning in het materiaal ontstaat, zoals metalen stukjes die in een stuk stof zijn geweven, kunnen reageren op een sterke magneet, waardoor het doek te verdraaien.

Wanneer een wisselend magnetisch veld op de antenne wordt toegepast, veroorzaakt de variërende spanning en spanning (druk) die in het materiaal wordt geproduceerd, de akoestische golven in de antenne, zegt Baju Joy, een student in het laboratorium van Sarkar en de hoofdauteur van dit werk. “We hebben ook een nieuwe strategie ontwikkeld met behulp van een niet-uniform magnetisch veld om de rovers in de cellen te introduceren”, voegt Joy toe.

Op deze manier geconfigureerd, zou de antenne kunnen worden gebruikt om de fundamenten van de biologie te onderzoeken terwijl natuurlijke processen plaatsvinden, zegt Sarkar. In plaats van cellen te vernietigen om hun cytoplasma te onderzoeken, zoals gewoonlijk wordt gedaan, kan de Cell Rover de ontwikkeling of deling van een cel volgen en verschillende chemicaliën en biomoleculen zoals enzymen detecteren, of fysieke veranderingen zoals in celdruk – alles in realtime en in levende lijve.

Materialen zoals polymeren die een verandering in massa of stress ondergaan als reactie op chemische of biomoleculaire veranderingen – die al worden gebruikt in medisch en ander onderzoek – kunnen volgens de onderzoekers worden geïntegreerd in de werking van de Cell Rover. Een dergelijke integratie zou inzichten kunnen opleveren die niet worden geboden door de huidige observatietechnieken waarbij de cel wordt vernietigd.

Met dergelijke capaciteiten zouden de Cell Rovers waardevol kunnen zijn in bijvoorbeeld onderzoek naar kanker en neurodegeneratieve ziekten. Zoals Sarkar uitlegt, kan de technologie worden gebruikt om biochemische en elektrische veranderingen die verband houden met de ziekte tijdens de progressie ervan in individuele cellen te detecteren en te volgen. Toegepast op het gebied van medicijnontdekking, zou de technologie de reacties van levende cellen op verschillende medicijnen kunnen verlichten.

Vanwege de verfijning en schaal van nano-elektronische apparaten zoals transistors en schakelaars – “die vijf decennia van enorme vooruitgang op het gebied van informatietechnologie vertegenwoordigen”, zegt Sarkar – zou de Cell Rover, met zijn mini-antenne, functies kunnen uitvoeren die helemaal tot intracellulair computergebruik en informatieverwerking voor autonome verkenning en modulatie van de cel. Het onderzoek toonde aan dat meerdere Cell Rovers kunnen worden ingeschakeld, zelfs binnen een enkele cel, om onderling en buiten de cellen te communiceren.

“De Cell Rover is een innovatief concept omdat het detectie-, communicatie- en informatietechnologie kan inbedden in een levende cel”, zegt Anantha P. Chandrakasan, decaan van de MIT School of Engineering en de Vannevar Bush Professor of Electrical Engineering and Computer Science. “Dit opent ongekende mogelijkheden voor uiterst nauwkeurige diagnostiek, therapieën en het ontdekken van geneesmiddelen, en creëert ook een nieuwe richting op het snijvlak tussen biologie en elektronische apparaten.”

De onderzoekers noemden hun intracellulaire antennetechnologie Cell Rover om, net als die van een Marsrover, zijn missie op te roepen om een ​​nieuwe grens te verkennen.

“Je kunt de Cell Rover zien”, zegt Sarkar, “als een expeditie die de innerlijke wereld van de cel verkent.”