Technologie die door vliegende azen uit de Eerste Wereldoorlog werd gebruikt, inspireert tot nieuwe ontdekkingen van cellulair gedrag

Onderzoekers van de Universiteit van Massachusetts Amherst hebben een nieuwe technologie ontworpen die inspiratie haalt uit de machinegeweren en propellersynchronisatie van gevechtsvliegtuigen uit de Eerste Wereldoorlog om het celgedrag te manipuleren door de pH van de celomgeving in realtime nauwkeurig te moduleren. Als beschreven in Nano-brievenbieden hun bevindingen een nieuwe route voor het creëren van therapieën voor kanker en hartziekten en het uitbreiden van het gebied van weefselmanipulatie.

“Elke cel reageert op de pH”, legt Jinglei Ping, universitair hoofddocent mechanische en industriële techniek aan UMass Amherst en corresponderende auteur van het onderzoek uit. “Het gedrag en de functies van cellen worden sterk beïnvloed door de pH. Sommige cellen verliezen hun levensvatbaarheid wanneer de pH een bepaald niveau bereikt, en voor sommige cellen kan de pH hun fysiologische eigenschappen veranderen.”

Eerder werk heeft aangetoond dat pH-veranderingen van slechts 0,1 pH-eenheid fysiologisch significante effecten op cellen kunnen hebben.

Het bestuderen van de directe impact van pH-veranderingen was echter een uitdaging omdat bestaande methoden om de cellulaire omgeving te veranderen traag zijn en afhankelijk zijn van diffusie. “Hoe een specifieke cel in realtime reageert op de pH-variatie, dat is onbekend”, zegt Ping.

Er is vastgesteld dat de pH kan worden gemanipuleerd met een micro-elektrode, wat de eerste middelen voor het ontwerp oplevert, maar door dit te doen en tegelijkertijd de verandering in de pH te meten, werd een nieuwe hindernis geïntroduceerd: de grafeentransistor om de pH te meten is ook gevoelig voor de stroom van de pH-modulerende micro-elektrode. “De stroom die je meet is dus niet specifiek voor de pH”, zegt Ping.

Hier haalde Ping inspiratie uit de synchronisatie van machinegeweren en propellers van gevechtsvliegtuigen. In een gevechtsvliegtuig bevinden zich machinegeweren achter de propeller. Het vliegtuig moet kogels afschieten zonder zijn eigen propeller te raken. De oplossing is dat machinegeweren worden gesynchroniseerd met de propeller, zodat de snelvurende kanonnen alleen schieten als ze uitgelijnd zijn met een opening tussen de langzamer bewegende propellerbladen.

Het team van Ping creëerde een soortgelijk gat door kort de stroom uit te schakelen die de pH verandert. Deze milliseconden lange opening is groot genoeg voor de transistor om een ​​nauwkeurige registratie van de pH te maken zonder de interferentie van stroom van de micro-elektrode, maar klein genoeg dat de pH geen tijd heeft om terug te keren naar normaal.

Hun apparaat was in staat de pH te manipuleren met een resolutie van 0,1 pH-eenheden, veel beter dan eerdere op elektroden gebaseerde pogingen die slechts 0,6 pH-eenheden bereikten.

Ze testten hun apparaat op bacteriën en hartcellen. Ze ontdekten dat de beweging van bacteriën (Bacillus subtilis) afneemt naarmate de omgeving fundamenteler wordt. Vergeleken met conventionele methoden was de nieuwe methode efficiënter. Er was één enkel monster nodig en er werden negen datapunten vastgelegd in ongeveer negen minuten, terwijl de conventionele methode twee uur nodig had om 13 datapunten te verzamelen, waarvoor elk een eigen monster nodig had.

Ze ontdekten ook dat wanneer de pH van de omgeving wordt verlaagd van neutraal (7) naar zuur (ongeveer 4), hartspiercellen hun hartslagfrequentie verdubbelen, wat het potentieel van het apparaat benadrukt om het wetenschappelijk inzicht in de relatie tussen metabole acidose (wanneer het lichaam te zwaar is) te bevorderen. zuur) en tachycardie (een aandoening waarbij het hart te snel klopt), en om belangrijke vragen op het gebied van cardiologische therapieën te beantwoorden.

“Het opent deuren en lost een technisch vraagstuk op, en het brengt veel wat-als-vragen naar boven bij wetenschappers”, zegt Ping. “Ik zal niet zeggen dat we al deze langetermijnvragen hebben aangepakt, maar we bieden een instrument om ze aan te pakken.”

Ping voorziet dat deze technologie kan worden toegepast op bio-elektronica, weefselmanipulatie, tumortherapie en regeneratieve geneeskunde.