Een apparaat op basis van 3D-transistorarrays voor het verzamelen van intra- en intercellulaire opnamen

Dierlijke cellen kunnen elementen of ionen gebruiken om elektrische impulsen te genereren. Deze impulsen worden vervolgens van de ene cel naar de andere overgebracht en reizen over cellulaire netwerken.

Het vermogen om elektrische signalen die door cellen worden uitgewisseld nauwkeurig vast te leggen, zou kunnen helpen bij het onderzoek en het verbeteren van praktijken op tal van gezondheidsgerelateerde gebieden, waaronder cardiologie en neurologie. De meeste bestaande technologieën zijn echter beperkt in zowel hun detectienauwkeurigheid als schaalbaarheid.

Onderzoekers van de University of California San Diego hebben onlangs een zeer gevoelig sensorapparaat ontwikkeld dat kan worden gebruikt om de elektrische signalen van cellen met grotere precisie te registreren. Dit apparaat, geïntroduceerd in een paper gepubliceerd in Natuur Nanotechnologiebestaat uit meerdere sensoren, die gezamenlijk de voortplanting kunnen meten van elektrische signalen die worden uitgewisseld door verschillende cellen of in individuele cellen.

De recente studie werd geleid door Dr. Yue Gu terwijl hij werkte in het laboratorium van Prof. Sheng Xu aan de UC San Diego. Dr. Gu, is nu een postdoctoraal medewerker aan de Yale University.

“De totstandkoming van onze 3D-structuur, ook wel bekend als een ‘pop-up’-architectuur, is gebaseerd op een unieke methode, de compressieve kniktechniek die ik tijdens mijn postdoctorale studies in 2015 heb ontwikkeld,” Prof. Xu, een van de auteurs van de recente krant, vertelde Phys.org. “De compressieve kniktechniek maakt gebruik van conventionele en veelzijdige microfabricagetechnieken in cleanrooms om geavanceerde 3D-structuren te genereren.”

De 3D ‘pop-up’-structuren die door prof. Xu en zijn collega’s worden gebruikt, kunnen worden gebouwd met behulp van een breed scala aan materialen die compatibel zijn met microfabricagetechnieken. De materialen waaruit ze zijn gemaakt, kunnen op hun beurt hun functie bepalen, zoals demping van elektromagnetische golven, mechanische trillingen, druk- en spanningsdetectie of elektrische signaaldetectie.

In hun onderzoek wilden de onderzoekers deze 3D-structuren bouwen, zodat ze konden worden gebruikt om elektrische signalen die door cellen worden gegenereerd en uitgewisseld nauwkeurig vast te leggen. Hun belangrijkste doel was om de veelzijdigheid van de compressieve kniktechniek effectief te benutten om een ​​apparaat te bouwen dat nauwkeurige intra- en intercellulaire opnames zou verzamelen.

“Het inbedden van halfgeleidende materialen en technische transistors in deze pop-uparchitectuur breidt de toepassing van de techniek uit”, legt prof. Xu uit. “Onze vastberadenheid om deze structuur toe te passen op cellen, met name hartspiercellen, werd aangewakkerd door discussies die Dr. Gu en ik hadden met cardiologen en neurologen in 2015, die klaagden over de moeilijkheden bij het opnemen van intracellulaire signalen met behulp van de bestaande hulpmiddelen, zoals als de patch-clamp, de gouden standaard voor het opnemen van cellulaire elektrische signalen.”

Nadat ze hoorden over de uitdagingen die medische onderzoekers ondervonden bij het verzamelen van nauwkeurige opnamen van cellulaire elektrische signalen, begonnen Dr. Xu en Dr. Gu te experimenteren met unieke technische benaderingen die hun werk konden vereenvoudigen. Uiteindelijk leidde dit tot de ontwikkeling van de nieuwe sensorarray die in hun recente paper werd geïntroduceerd.

“Een ander doel van onze studie was de implementatie van intracellulaire sensoren in 3D-gemanipuleerde hartweefsels,” zei prof. Xu. “Het is algemeen bekend dat de elektrofysiologische eigenschappen van cellen variëren wanneer ze zich in levende dieren bevinden, geïsoleerd van de levende dieren en gekweekt in gerechten. Het opnemen van de signalen in vivo is altijd de belangrijkste en toch uitdagende stap.”

Prof. Xu en zijn collega’s waren de eersten die nauwkeurige intracellulaire opnames van cellen in het gemanipuleerde hartweefsel verzamelden. Hun onderzoek zou dus een eerste stap kunnen zijn op weg naar het verzamelen van betrouwbare, in vivo cellulaire opnames.

“Celmembraanpotentiaal die de gate-terminal van individuele transistors voorspant, resulteert in een verandering in de stroom van de drain naar de source-terminal van de transistors”, legt prof. Xu uit. “Daarom weerspiegelen stroomfluctuaties de tijdelijke membraanpotentialen. De meerdere transistors in de array die we hebben ontwikkeld, kunnen tegelijkertijd signalen opnemen van verschillende posities van een cel of verschillende cellen.”

Om het signaalvoortplantingsgedrag binnen en tussen cellen te volgen, rangschikt het apparaat van de onderzoekers de signalen die worden opgepikt door de vele transistors. In tegenstelling tot andere eerder voorgestelde methoden voor het verzamelen van cellulaire opnames, is het nieuwe apparaat in staat om meerdere cellen tegelijk te bewaken. Bovendien kunnen de transistors intacte celmembraanpotentialen met volledige amplitude behouden, zonder te lijden aan verzwakkingen of impedanties die verband houden met het proces waardoor ze toegang krijgen tot cellen.

“Gefunctionaliseerde transistoroppervlakken door fosfolipide dubbellaagse materialen kunnen ook de anorganische transistors camoufleren om cellen te zijn, wat hun invoeging in het cellichaam aanzienlijk vergemakkelijkt”, legt prof. Xu uit. “In dergelijke omstandigheden wordt internalisatie beschreven als een spontaan fusieproces, dat minimale, zelfs geen invasiviteit van de cel overlaat.”

Het door Prof. Xu en zijn collega’s ontwikkelde detectieapparaat kan ook de elektrische signaalgeleidingssnelheid in een cardiomyocyt volgen. Deze meting kan van vitaal belang zijn voor het werk van cardiologen, omdat vergelijking met de geleidingssnelheid tussen aangrenzende cellen kan helpen bij het opsporen en begrijpen van sommige hartaandoeningen, waaronder hartfibrose.

“Als onderdeel van onze studie hebben we de transistorarray ingezet in 3D-hartweefsel en voor het eerst de intracellulaire elektrische signalen van afzonderlijke cellen opgenomen,” zei Xu. “Tijdens het proces hebben we ook de geleiding van elektrische signalen geregistreerd en hun snelheid berekend.”

Tot nu toe hebben de onderzoekers hun op transistoren gebaseerde sensor voornamelijk getest op hartweefsel, met veelbelovende resultaten. Hun eerste bevindingen suggereren dat het uiteindelijk zou kunnen worden gebruikt om nauwkeurige opnamen te maken van elektrische signalen die worden geproduceerd en uitgewisseld door cellen, zowel in laboratoriumomgevingen als in-vivo, in de hersenen of het hart van levende dieren of menselijke patiënten.

“We streven nu verschillende nieuwe doelen na”, voegde Xu eraan toe. “De eerste is om onze transistors te gebruiken om in vivo tests uit te voeren op intacte harten of hersenen. De tweede is het registreren van de intracellulaire activiteiten van neuronen op verschillende neuronale locaties. Ten slotte, aangezien sommige endocriene cellen ook elektrogeen zijn, wat betekent dat hun elektrische activiteiten gerelateerd aan andere fysiologische gebeurtenissen, zijn ze ook van groot belang.”