Недавно разработанные нанопроволоки могут регистрировать внутриклеточные сигналы

[1945900]

Машины довольно удобны для человеческих клеток. Встраиваемые датчики регистрируют, как и когда запускаются нейроны; нейроноподобные устройства могут даже ускорять отрастание после имплантации в мозг; и электроды разжигают сердечные клетки, чтобы бить, или мозговые клетки, чтобы зажечь.

Армия нанопроволочных устройств в форме буквы «U» может ускорить исследование взаимодействия мозга и сердечных клеток. Здесь устройство пересекает мембранный барьер нейрона для записи внутриклеточной болтовни. (Изображение предоставлено: Lieber Group, Гарвардский университет)

В ближайшем будущем так называемые интерфейсы «мозг-машина» могут достичь еще большего: предоставить план для разработки искусственного интеллекта, мониторинга и лечения симптомов неврологических расстройств, таких как болезнь Паркинсона, или даже для облегчения связи между мозгом и мозгом.

Для реализации досягаемости и кихотики устройствам требуется способ действительно глубже погрузиться в клетки человека для проведения разведки. Понимание того, как нейроны работают лучше, поможет ученым подражать, воспроизводить и обрабатывать их с помощью машин.

В настоящее время в статье, опубликованной в Nature Nanotechnology Чарльз М. Либер, профессор Университета Джошуа и Бет Фридман, представляет обновление своих оригинальных наноразмерных устройств для внутриклеточной записи, первой нанотехнологии, разработанной для записи. электрическая болтовня внутри живой клетки. Девять лет спустя Либер и его команда разработали способ создания нескольких таких устройств одновременно, создавая наноразмерную армию, которая могла бы ускорить усилия по обнаружению того, что происходит внутри клеток человека.

До работы Либера аналогичные устройства столкнулись с загадкой Златовласки: очень большой, и они записывали внутренние сигналы, но разрушали ячейку. Очень маленькие, и им не удалось пробить мембрану клетки – записи оказались шумными и расплывчатыми.

Новые нанопроволоки Либера были на месте. Разработанные и представленные в 2010 году, оригиналы имели наконечник в форме буквы V в форме буквы V с транзистором в нижней части буквы «V.». Эта конструкция может проникать через клеточные мембраны и передавать точные данные команде, не повреждая ячейку.

Однако возникла проблема. Кремниевые нанопроволоки намного длиннее, чем они широкие, что делает их нестабильными и трудно сворачивающимися. «Они такие же гибкие, как приготовленная лапша», говорит Анки Чжан, аспирант лаборатории Либера и один из авторов недавней работы команды.

Чтобы разработать оригинальные устройства, членам лаборатории приходилось ловить лапшу из нанопроволоки одну за другой, находить каждую руку «V», а затем связывать провода в записывающее устройство. Создание нескольких устройств заняло две-три недели. « Это была очень утомительная работа», говорит Чжан.

Но нанопроволоки не создаются по одному; они сделаны в совокупности как те вещи, на которые они похожи: приготовленная лапша. Используя нанокластерную катализируемую технологию пар-жидкость-твердое вещество, которую Либер использовал для создания первых нанопроводов, команда формирует среду, в которой провода могут расти самостоятельно. Они могут заранее определить длину и диаметр каждого провода, но не то, как провода будут размещены, когда они будут готовы. Несмотря на то, что они выращивают тысячи или даже миллионы нанопроволок за раз, конечным результатом была путаница с невидимой лапшой.

Чтобы разгадать беспорядок, Либер и его команда сконструировали ловушку для их сырой лапши: они образуют U-образные углубления на кремниевой пластине, а затем расчесывают нанопроволоки по всей поверхности. Этот процесс «расчесывания» распутывает беспорядок и помещает каждую нанопроводу в аккуратную U-образную дыру. Затем каждая кривая «U» получает миниатюрный транзистор, похожий на нижнюю часть их V-образных устройств.

Используя технику «расчесывания», Либер и его команда создают сотни нанопроволочных устройств за одно и то же время, необходимое для изготовления всего лишь нескольких. «Поскольку они очень хорошо выровнены, ими очень легко управлять», – говорит Чжан.

До настоящего времени Чжан и ее коллеги использовали U-образные наноразмерные устройства для регистрации внутриклеточных сигналов в сердечных и нервных клетках в культурах. Нанопроволоки, покрытые веществом, которое копирует ощущение клеточной мембраны, могут преодолеть этот барьер с наименьшими усилиями или вредом для клетки. Более того, они могут записывать внутриклеточную болтовню с той же степенью точности, что и их самый большой соперник: электроды с зажимными накладками.

Электроды с накладными зажимами примерно в 100 раз больше, чем нанопроволоки. Как видно из названия, инструмент зажимает мембрану клетки, нанося непоправимый урон. Патч-зажим может удерживать стабильную запись электрических сигналов в ячейках. Но, говорит Чжан, «после записи клетка умирает».

U-образные наноразмерные устройства, созданные командой Lieber, более дружественны к своим клеточным хозяевам. «Они могут быть вставлены в несколько ячеек параллельно, не нанося ущерба», – говорит Чжан.

В настоящее время устройства настолько гибки, что клеточная мембрана выдает их примерно через 10 минут записи. Чтобы растянуть это окно своим следующим дизайном, команда может добавить немного биохимического клея на кончик или придать шероховатости края, чтобы проволока зацепилась за мембрану.

Наноразмерные устройства обладают еще одним преимуществом по сравнению с патч-зажимом: они могут записывать дополнительные ячейки параллельно. С помощью зажимов ученые могут собрать всего несколько записей о клетках за сеанс. Для этого исследования Чжан записал до десяти клеток одновременно. «Потенциально, это может быть намного больше», говорит она. Чем больше ячеек они могут записать за один раз, тем больше они могут наблюдать, как сети ячеек взаимодействуют друг с другом, как у живых существ.

В процессе расширения их конструкции нанопроволоки команде также удалось подтвердить давно установленную теорию, известную как гипотеза кривизны. После того, как Либер изобрел первые нанопроволоки, ученые задались вопросом, может ли ширина наконечника нанопроволоки (нижняя часть «V» или «U») влиять на реакцию клетки на провод. Для этого исследования команда провела испытания с многочисленными U-образными кривыми и размерами транзисторов. Результаты подтвердили первоначальную гипотезу: клетки предпочитают узкий наконечник и маленький транзистор.

Красота науки для многих, в том числе и для нас, сталкивается с такими проблемами, чтобы стимулировать гипотезы и будущую работу.

Чарльз М. Либер, профессор Университета Джошуа и Бет Фридман, Гарвардский университет

С решением проблемы масштабируемости команда надеется захватить еще более точные записи, возможно, в рамках субклеточных структур, и записать клетки в живых существах. Но для Либера одна проблема мозг-машина более заманчива, чем все остальные: «приведение киборгов в реальность».

Источник: https://www.harvard.edu/

Source link