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Modo migliore per cablare le celle
Comprendere come le cellule del cervello e del cuore elaborano e generano segnali elettrici potrebbe portare a una nuova comprensione delle malattie neurologiche e cardiache. Fino a pochi anni fa, però, semplicemente non era possibile effettuare registrazioni elettriche a livello di singole celle. Nel 2006, i ricercatori di Harvard hanno utilizzato transistor a nanofili per misurare i segnali elettrici in 50 punti lungo un singolo neurone. Ora lo stesso gruppo di ricerca ha sviluppato un nuovo sistema di registrazione a nanofili e lo ha utilizzato per acquisire alcune delle registrazioni elettriche più precise e di alta qualità mai realizzate dalle cellule cardiache.
Segnali cellulari : Le cellule cresciute su un substrato di plastica flessibile delineato in rosso vengono posizionate su una matrice di transistor a nanofili con l'aiuto di un microscopio. Altri componenti evidenziati con frecce colorate includono un sistema di riscaldamento per mantenere calde le celle (blu), ingressi elettrici (rosso) e un manipolatore per spostare le celle (verde).
Il lavoro di Harvard, condotto dal professore di chimica e chimica-biologia Carlo caro , è in prima linea nella ricerca sull'integrazione della nanotecnologia dei nanofili e della bioscienza, afferma Zhong Lin Wang , Regents Professor presso il Centro per la caratterizzazione delle nanostrutture, presso la Georgia Tech.
I dispositivi su nanoscala che si interfacciano elettricamente con le cellule potrebbero portare non solo a una migliore comprensione delle origini della malattia, ma anche a migliori protesi neurali e altri dispositivi medici.
Lieber afferma che l'obiettivo del suo laboratorio è realizzare dispositivi elettrici che si interfacciano con i tessuti biologici su una scala biologicamente significativa, in altre parole, su scala nanometrica. Le cellule elaborano segnali elettrici mentre quei segnali viaggiano lungo la lunghezza di una cellula; l'elaborazione elettrica subcellulare che ha luogo nei neuroni, ad esempio, svolge un ruolo importante nell'apprendimento e nella memoria normali e anormali. Se si vuole capire come si propagano i segnali e perché non accade nel modo in cui dovrebbe in malattie come l'epilessia o le aritmie cardiache, è necessario misurare su una scala fine, dice Lieber.
Per creare registrazioni così fini, Lieber utilizza transistor realizzati con fili di silicio di appena decine di nanometri di diametro. I nanofili vengono cresciuti in una camera di reazione, quindi allineati su un wafer di silicio e forniti con elettrodi metallici e interconnessioni. Fino ad ora, i ricercatori hanno coltivato cellule su un chip per interfacciare i nanofili con le cellule.
Abbiamo riconosciuto che non è necessario far crescere le cellule sul substrato, afferma Lieber. Invece, nella ricerca descritta online questa settimana nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , il gruppo di Harvard coltiva cellule su fogli di polimero flessibile. I nanofili stessi sono compatibili con le cellule, ma un wafer di silicio rigido non è il luogo più favorevole per la crescita dei tessuti biologici. Coltivando i tessuti separatamente su substrati di plastica, i ricercatori di Harvard possono ottenere campioni di tessuto migliori con cui lavorare. Campioni migliori significa misurazioni più significative. E poiché i ricercatori di Harvard possono posizionare il tessuto sui nanofili al microscopio, possono scegliere particolari aree di tessuto o particolari cellule da cui registrare. Anche essere in grado di portare un gruppo di cellule già in crescita a contatto con un array di registrazione sarà fondamentale per realizzare impianti futuri.
L'approccio modulare è piuttosto elegante, afferma Peidong Yang , professore di chimica all'Università della California, Berkeley. Yang ha utilizzato array di nanofili per studiare gli effetti degli input elettrici sullo sviluppo delle cellule staminali.
Finora, il gruppo di Harvard ha utilizzato il sistema modulare per registrare l'attività elettrica nei tessuti cardiaci battenti. In un esperimento, dice Lieber, sono stati in grado di orientare il tessuto sugli array di nanofili per effettuare registrazioni dettagliate delle connessioni elettriche tra tre cellule cardiache. Le velocità di propagazione non sono uniformi e dipendono dai dettagli della loro connettività, dice. Ad esempio, la connessione tra due delle celle ha mostrato una resistenza elettrica maggiore rispetto alle altre.
Per capire cosa significano queste misurazioni biofisiche dettagliate in termini di salute e malattia, sarà necessario eseguirne e analizzarne molte altre. Ma, dice Yang, il lavoro di Lieber mostra che è possibile effettuare misurazioni complesse e ad alta risoluzione spaziale e temporale.
Questo studio estende l'applicazione della nanotecnologia per l'interfacciamento cellulare, che è probabilmente una delle applicazioni biologiche più promettenti dei nanofili, aggiunge Nicholas Kotov , professore di ingegneria chimica presso l'Università del Michigan. Lo sviluppo di nanomateriali per questo scopo può aiutare molte persone con malattie devastanti legate alla rottura della trasmissione del segnale tra le cellule.
Lieber sta ora utilizzando il sistema modulare per effettuare registrazioni dal tessuto neurale, che è più fragile, e sta sviluppando nuovi modi per disporre i nanofili. Uno dei motivi per cui questi minuscoli fili possono stabilire connessioni elettriche così buone con le cellule è che una grande quantità di superficie entra in contatto con il tessuto circostante. Realizzando array di nanofili con diverse configurazioni, Lieber spera di esporre ancora più superfici dei cavi per l'interazione con le cellule.
Il gruppo sta anche lavorando su dispositivi a nanofili in grado di registrare simultaneamente segnali elettrici e chimici. Il precedente lavoro di Lieber ha dimostrato che i transistor a nanocavi decorati con molecole leganti possono agire come sensori chimici estremamente sensibili: la loro conduttività cambia in modo prevedibile quando si legano a una molecola di interesse, come un neurotrasmettitore. La registrazione simultanea degli effetti di segnali elettrici, ormoni, neurotrasmettitori e altre sostanze chimiche fornirebbe un quadro più integrato delle funzioni biologiche.