Ilmuwan MIT memanfaatkan cahaya untuk memantau sinyal listrik seluler secara nirkabel

Terintegrasi ke dalam perangkat biosensing nirkabel resolusi tinggi, antena dapat memungkinkan para peneliti untuk mendekode sinyal listrik kompleks yang dihasilkan oleh sel.

Memantau sinyal listrik dalam sistem biologis memungkinkan para ilmuwan untuk mempelajari bagaimana sel berkomunikasi, memberikan wawasan berharga yang dapat meningkatkan diagnosis dan pengobatan kondisi seperti aritmia dan Alzheimer penyakit.

Tetapi perangkat yang merekam sinyal listrik dalam kultur sel dan lingkungan cair lainnya sering menggunakan kabel untuk menghubungkan setiap elektroda pada perangkat ke penguat masing -masing. Karena hanya begitu banyak kabel yang dapat dihubungkan ke perangkat, ini membatasi jumlah situs rekaman, membatasi informasi yang dapat dikumpulkan dari sel.

Mit Para peneliti sekarang telah mengembangkan teknik biosensing yang menghilangkan kebutuhan kabel. Sebaliknya, antena nirkabel kecil menggunakan cahaya untuk mendeteksi sinyal listrik menit.

Perubahan listrik kecil di lingkungan cair di sekitarnya mengubah bagaimana antena menyebarkan cahaya. Menggunakan serangkaian antena kecil, yang masing-masing seratus lebar rambut manusia, para peneliti dapat mengukur sinyal listrik yang dipertukarkan antar sel, dengan resolusi spasial ekstrem.

Perangkat, yang cukup tahan lama untuk terus merekam sinyal selama lebih dari 10 jam, dapat membantu ahli biologi memahami bagaimana sel berkomunikasi sebagai respons terhadap perubahan di lingkungan mereka. Dalam jangka panjang, wawasan ilmiah semacam itu dapat membuka jalan bagi kemajuan dalam diagnosis, memacu pengembangan perawatan yang ditargetkan, dan memungkinkan lebih presisi dalam evaluasi terapi baru.

“Mampu merekam aktivitas listrik sel dengan throughput tinggi dan resolusi tinggi tetap menjadi masalah nyata. Kita perlu mencoba beberapa ide inovatif dan pendekatan alternatif, ”kata Benoît Desbiolles, mantan postdoc di MIT Media Lab dan penulis utama sebuah makalah di perangkat.

Dia bergabung di atas kertas oleh Jad Hanna, seorang siswa tamu di lab media; mantan siswa tamu Raphael Ausilio; mantan postdoc Marta Ji Airaghi Leccardi; Yang Yu, seorang ilmuwan di Raith America, Inc.; dan penulis senior Deblina Sarkar, asisten profesor pengembangan karier AT&T di Media Lab dan MIT Center for Neurobiological Engineering dan kepala Nano-Cybernetic Biotrek Lab. Penelitian muncul di Kemajuan Sains.

“Bioelektrik sangat penting untuk fungsi sel dan proses kehidupan yang berbeda. Namun, merekam sinyal listrik seperti itu secara tepat menantang, ”kata Sarkar. “Antena hamburan elektro organik (lautan) yang kami kembangkan memungkinkan perekaman sinyal listrik secara nirkabel dengan resolusi spasial mikrometer dari ribuan lokasi rekaman secara bersamaan. Ini dapat menciptakan peluang yang belum pernah terjadi sebelumnya untuk memahami biologi mendasar dan pensinyalan yang berubah dalam keadaan sakit serta untuk menyaring efek terapi yang berbeda untuk memungkinkan perawatan baru. ”

Biosensing dengan cahaya

Para peneliti berangkat untuk merancang perangkat biosensing yang tidak membutuhkan kabel atau amplifier. Perangkat seperti itu akan lebih mudah digunakan untuk ahli biologi yang mungkin tidak terbiasa dengan instrumen elektronik.

“Kami bertanya -tanya apakah kami dapat membuat perangkat yang mengubah sinyal listrik menjadi menyala dan kemudian menggunakan mikroskop optik, jenis yang tersedia di setiap laboratorium biologi, untuk menyelidiki sinyal -sinyal ini,” kata Desbiolles.

Awalnya, mereka menggunakan polimer khusus yang disebut PEDOT: PSS untuk merancang nano Transduser yang memasukkan potongan -potongan kecil filamen emas. Nanopartikel emas seharusnya menyebarkan cahaya – suatu proses yang akan diinduksi dan dimodulasi oleh polimer. Tetapi hasilnya tidak cocok dengan model teoritis mereka.

Para peneliti mencoba menghapus emas dan, secara mengejutkan, hasilnya cocok dengan model lebih dekat.

“Ternyata kami tidak mengukur sinyal dari emas, tetapi dari polimer itu sendiri. Ini adalah hasil yang sangat mengejutkan tetapi menarik. Kami membangun di atas temuan itu untuk mengembangkan antena hamburan elektro organik, ”katanya.

Antena hamburan elektro organik, atau lautan, terdiri dari PEDOT: PSS. Polimer ini menarik atau mengusir ion positif dari lingkungan cair di sekitarnya ketika ada aktivitas listrik di dekatnya. Ini memodifikasi konfigurasi kimianya dan struktur elektronik, mengubah properti optik yang dikenal sebagai indeks biasnya, yang mengubah cara menyisihkan cahaya.

Ketika para peneliti menyinari antena, intensitas perubahan cahaya proporsional dengan sinyal listrik yang ada dalam cairan.

Dengan ribuan atau bahkan jutaan antena kecil dalam array, masing -masing hanya 1 mikrometer, para peneliti dapat menangkap cahaya yang tersebar dengan mikroskop optik dan mengukur sinyal listrik dari sel dengan resolusi tinggi. Karena setiap antena adalah sensor independen, para peneliti tidak perlu mengumpulkan kontribusi beberapa antena untuk memantau sinyal listrik, itulah sebabnya lautan dapat mendeteksi sinyal dengan resolusi mikrometer.

Dimaksudkan untuk studi in vitro, array laut dirancang untuk memiliki sel yang dikultur langsung di atasnya dan diletakkan di bawah mikroskop optik untuk analisis.

Antena “menumbuhkan” pada chip

Kunci perangkat adalah ketepatan yang dapat membuat para peneliti dapat membuat array di fasilitas MIT.Nano.

Mereka mulai dengan substrat kaca dan setoran lapisan konduktif kemudian mengisolasi bahan di atas, yang masing -masing transparan secara optik. Kemudian mereka menggunakan balok ion terfokus untuk memotong ratusan lubang skala nano ke lapisan atas perangkat. Jenis khusus balok ion terfokus ini memungkinkan nanofabrikasi throughput tinggi.

“Instrumen ini pada dasarnya seperti pena di mana Anda dapat mengukir apa pun dengan resolusi 10-nanometer,” katanya.

Mereka merendam chip dalam larutan yang berisi blok bangunan prekursor untuk polimer. Dengan menerapkan arus listrik ke larutan, bahan prekursor itu tertarik ke lubang kecil pada chip, dan antena berbentuk jamur “tumbuh” dari bawah ke atas.

Seluruh proses fabrikasi relatif cepat, dan para peneliti dapat menggunakan teknik ini untuk membuat chip dengan jutaan antena.

“Teknik ini dapat dengan mudah diadaptasi sehingga sepenuhnya dapat diukur. Faktor pembatas adalah berapa banyak antena yang dapat kita gambar pada saat yang sama, ”katanya.

Para peneliti mengoptimalkan dimensi antena dan parameter yang disesuaikan, yang memungkinkan mereka untuk mencapai sensitivitas yang cukup tinggi untuk memantau sinyal dengan tegangan serendah 2,5 milivolt dalam percobaan simulasi. Sinyal yang dikirim oleh neuron untuk komunikasi biasanya sekitar 100 milivolt.

“Karena kami meluangkan waktu untuk benar -benar menggali dan memahami model teoritis di balik proses ini, kami dapat memaksimalkan sensitivitas antena,” katanya.

Lautan juga menanggapi perubahan sinyal hanya dalam beberapa milidetik, memungkinkan mereka untuk merekam sinyal listrik dengan kinetika cepat. Ke depan, para peneliti ingin menguji perangkat dengan kultur sel nyata. Mereka juga ingin membentuk kembali antena sehingga mereka dapat menembus membran sel, memungkinkan deteksi sinyal yang lebih tepat.

Selain itu, mereka ingin mempelajari bagaimana lautan dapat diintegrasikan ke dalam perangkat nanofotonik, yang memanipulasi cahaya pada skala nano untuk sensor generasi berikutnya dan perangkat optik.

Referensi: “Antena hamburan elektro organik: probing nirkabel dan multisite potensi listrik dengan resolusi spasial tinggi” oleh Benoit Desbiolles, Jad Hanna, Raphael Ausilio, Marta Airaghi Leccardi, Yang Yu dan DeBlina Sarkar, 20 Desember 2024, Kemajuan Sains.
Doi: 10.1126/sciadv.adr8380

Penelitian ini didanai, sebagian, oleh AS Institut Kesehatan Nasional dan Yayasan Sains Nasional Swiss. Penelitian yang dilaporkan dalam siaran pers ini didukung oleh Institut Jantung Nasional, Paru -Paru, dan Darah (NHLBI) dari National Institutes of Health dan tidak selalu mewakili pandangan resmi NIH.