“Peretasan Pesawat Tempur Perang Dunia I” Menginspirasi Terobosan dalam Pengobatan Kanker
Perangkat baru ini memungkinkan manipulasi pH lingkungan sel yang lebih tepat dibandingkan sebelumnya.
Para peneliti di Universitas Massachusetts Amherst telah mengembangkan teknologi inovatif yang terinspirasi oleh mekanisme sinkronisasi pesawat tempur Perang Dunia I, yang mengoordinasikan tembakan senapan mesin dengan pergerakan baling-baling. Terobosan ini memungkinkan kontrol pH lingkungan sel secara tepat dan real-time untuk memengaruhi perilakunya. Rinci di Surat Nanopenelitian ini membuka kemungkinan menarik untuk mengembangkan terapi kanker dan penyakit jantung baru serta memajukan bidang rekayasa jaringan.
“Setiap sel responsif terhadap pH,” jelas Jinglei Ping, profesor teknik mesin dan industri di UMass Amherst dan penulis studi tersebut. “Perilaku dan fungsi sel sangat dipengaruhi oleh pH. Beberapa sel kehilangan viabilitasnya ketika pH mencapai tingkat tertentu dan untuk beberapa sel, pH dapat mengubah sifat fisiologisnya.” Penelitian sebelumnya telah menunjukkan bahwa perubahan pH sekecil 0,1 unit pH dapat mempunyai efek signifikan secara fisiologis pada sel.
Tantangan Mempelajari Perubahan pH Secara Real-Time
Namun, mempelajari dampak langsung perubahan pH merupakan suatu tantangan karena metode yang ada dalam mengubah lingkungan seluler berjalan lambat dan bergantung pada difusi. “Bagaimana sel tertentu merespons variasi pH secara real-time – masih belum diketahui,” kata Ping.
Telah ditetapkan bahwa pH dapat dimanipulasi dengan mikroelektroda, yang menyediakan sarana awal untuk perancangan, namun melakukan hal ini sambil juga mengukur perubahan pH menimbulkan rintangan baru: graphene transistor untuk mengukur pH juga sensitif terhadap arus dari mikroelektroda pemodulasi pH. “Jadi, arus yang Anda ukur tidak spesifik untuk pH,” kata Ping.
Di sinilah Ping mengambil inspirasi dari sinkronisasi senapan mesin pesawat tempur dan baling-baling. Pada pesawat tempur, senapan mesin terletak di belakang baling-baling. Pesawat perlu menembakkan peluru tanpa mengenai baling-balingnya sendiri. Solusinya adalah senapan mesin disinkronkan dengan baling-baling sehingga senjata yang menembak cepat hanya menembak jika sejajar dengan celah di antara baling-baling yang bergerak lebih lambat.
Tim Ping menciptakan celah serupa dengan mematikan arus yang mengubah pH sebentar. Celah sepanjang milidetik ini cukup besar bagi transistor untuk membuat pencatatan pH secara akurat tanpa gangguan arus dari mikroelektroda, namun cukup kecil sehingga pH tidak mempunyai waktu untuk kembali ke normal.
Perangkat mereka mampu memanipulasi pH dengan resolusi 0,1 unit pH, jauh melebihi upaya berbasis elektroda sebelumnya yang hanya mencapai 0,6 unit pH.
Pengujian pada Bakteri dan Sel Jantung
Mereka menguji perangkat mereka pada bakteri dan sel jantung. Mereka menemukan bahwa pergerakan bakteri (Bacillus subtilis) menurun seiring dengan semakin mendasarnya lingkungan. Dibandingkan dengan metode konvensional, metode baru ini lebih efisien. Metode ini memerlukan satu sampel dan menangkap sembilan titik data dalam waktu sekitar sembilan menit, sedangkan metode konvensional memerlukan waktu dua jam untuk mengumpulkan 13 titik data, yang masing-masing memerlukan sampelnya sendiri.
Mereka juga menemukan bahwa ketika pH lingkungan berkurang dari netral (7) menjadi asam (sekitar 4), kardiomiosit melipatgandakan frekuensi detak jantungnya, menyoroti potensi perangkat untuk memajukan pemahaman ilmiah tentang hubungan antara asidosis metabolik (ketika tubuh terlalu banyak). asam) dan takikardia (suatu kondisi dimana jantung berdetak terlalu cepat), serta untuk menjawab pertanyaan penting dalam terapi kardiologi.
“Ini membuka pintu dan memecahkan pertanyaan teknis, serta memunculkan banyak pertanyaan bagaimana-jika bagi para ilmuwan,” kata Ping. “Saya tidak akan mengatakan bahwa kami telah menjawab pertanyaan-pertanyaan jangka panjang tersebut, namun kami menyediakan alat untuk menjawabnya.”
Ping membayangkan teknologi ini dapat diterapkan pada bioelektronik, rekayasa jaringan, terapi tumor, dan pengobatan regeneratif.
Referensi: “Kontrol Sel Spatiotemporal melalui Regulasi Elektronik Presisi Tinggi pada pH Lingkungan Mikro” oleh Xiaoyu Zhang, Xin Zhang, Sizhe Cheng, Xiao Fan, Huilu Bao, Shuang Zhou dan Jinglei Ping, 26 November 2024, Surat Nano.
DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c04174
Penelitian ini didukung oleh Kantor Penelitian Ilmiah Angkatan Udara Departemen Pertahanan AS, dengan nomor penghargaan FA9550-20-1-0125 dan FA9550-23-1-0601.
