Il monitoraggio dei segnali elettrici nei sistemi biologici aiuta gli scienziati a capire come comunicano le cellule, il che può aiutare nella diagnosi e nel trattamento di condizioni come l’aritmia e l’Alzheimer.
Ma i dispositivi che registrano segnali elettrici in colture cellulari e altri ambienti liquidi spesso utilizzano cavi per collegare ciascun elettrodo del dispositivo al rispettivo amplificatore. Poiché al dispositivo è possibile collegare solo un certo numero di cavi, ciò limita il numero di siti di registrazione, limitando le informazioni che possono essere raccolte dalle celle.
I ricercatori del MIT hanno ora sviluppato una tecnica di biorilevamento che elimina la necessità di cavi. Invece, minuscole antenne wireless utilizzano la luce per rilevare minuscoli segnali elettrici.
Piccoli cambiamenti elettrici nell’ambiente liquido circostante alterano il modo in cui le antenne diffondono la luce. Utilizzando una serie di minuscole antenne, ciascuna delle quali è un centesimo della larghezza di un capello umano, i ricercatori hanno potuto misurare i segnali elettrici scambiati tra le cellule, con un’estrema risoluzione spaziale.
I dispositivi, sufficientemente resistenti da registrare continuamente segnali per più di 10 ore, potrebbero aiutare i biologi a capire come le cellule comunicano in risposta ai cambiamenti nel loro ambiente. A lungo termine, tali approfondimenti scientifici potrebbero aprire la strada a progressi nella diagnosi, stimolare lo sviluppo di trattamenti mirati e consentire una maggiore precisione nella valutazione di nuove terapie.
“Essere in grado di registrare l’attività elettrica delle cellule con elevata produttività e alta risoluzione rimane un vero problema. Dobbiamo provare alcune idee innovative e approcci alternativi”, afferma Benoît Desbiolles, ex postdoc presso il MIT Media Lab e autore principale di uno studio carta sui dispositivi.
A lui si unisce Jad Hanna, uno studente in visita al Media Lab; l’ex studente in visita Raphael Ausilio; ex postdoc Marta JI Airaghi Leccardi; Yang Yu, uno scienziato della Raith America, Inc.; e l’autrice senior Deblina Sarkar, professoressa assistente per lo sviluppo della carriera di AT&T presso il Media Lab e il Centro di ingegneria neurobiologica del MIT e capo del Nano-Cybernetic Biotrek Lab. La ricerca appare oggi in Progressi della scienza.
“La bioelettricità è fondamentale per il funzionamento delle cellule e di diversi processi vitali. Tuttavia, registrare con precisione tali segnali elettrici è stato impegnativo”, afferma Sarkar. “Le antenne organiche a diffusione elettrostatica (OCEAN) che abbiamo sviluppato consentono la registrazione di segnali elettrici in modalità wireless con risoluzione spaziale micrometrica da migliaia di siti di registrazione simultaneamente. Ciò può creare opportunità senza precedenti per comprendere la biologia fondamentale e la segnalazione alterata negli stati malati, nonché per lo screening dei effetto di diverse terapie per consentire nuovi trattamenti.”
Biorilevamento con la luce
I ricercatori hanno deciso di progettare un dispositivo di biorilevamento che non necessitasse di cavi o amplificatori. Un dispositivo del genere sarebbe più facile da usare per i biologi che potrebbero non avere familiarità con gli strumenti elettronici.
“Ci siamo chiesti se potessimo realizzare un dispositivo che converta i segnali elettrici in luce e quindi utilizzare un microscopio ottico, del tipo disponibile in ogni laboratorio di biologia, per sondare questi segnali”, afferma Desbiolles.
Inizialmente, hanno utilizzato uno speciale polimero chiamato PEDOT:PSS per progettare trasduttori su scala nanometrica che incorporavano minuscoli pezzi di filamento d’oro. Si supponeva che le nanoparticelle d’oro diffondassero la luce, un processo che sarebbe stato indotto e modulato dal polimero. Ma i risultati non corrispondevano al modello teorico.
I ricercatori hanno provato a rimuovere l’oro e, sorprendentemente, i risultati corrispondevano molto più fedelmente al modello.
“Si scopre che non stavamo misurando segnali provenienti dall’oro, ma dal polimero stesso. Questo è stato un risultato molto sorprendente ma entusiasmante. Ci siamo basati su quella scoperta per sviluppare antenne organiche di elettrodiffusione”, dice.
Le antenne organiche di elettrodiffusione, o OCEAN, sono composte da PEDOT:PSS. Questo polimero attrae o respinge gli ioni positivi dall’ambiente liquido circostante quando c’è attività elettrica nelle vicinanze. Ciò ne modifica la configurazione chimica e la struttura elettronica, alterando una proprietà ottica nota come indice di rifrazione, che cambia il modo in cui disperde la luce.
Quando i ricercatori puntano la luce sull’antenna, l’intensità della luce riflessa cambia in proporzione al segnale elettrico presente nel liquido.
Con migliaia o addirittura milioni di minuscole antenne in una serie, ciascuna larga solo 1 micrometro, i ricercatori possono catturare la luce diffusa con un microscopio ottico e misurare i segnali elettrici dalle cellule con alta risoluzione. Poiché ogni antenna è un sensore indipendente, i ricercatori non hanno bisogno di mettere insieme il contributo di più antenne per monitorare i segnali elettrici, motivo per cui gli OCEAN possono rilevare segnali con risoluzione micrometrica.
Destinati agli studi in vitro, gli array OCEAN sono progettati per coltivare cellule direttamente sopra di essi e metterli al microscopio ottico per l’analisi.
Antenne “in crescita” su un chip
La chiave dei dispositivi è la precisione con cui i ricercatori possono fabbricare array nelle strutture MIT.nano.
Iniziano con un substrato di vetro e depositano sopra strati di materiale conduttivo e poi isolante, ciascuno dei quali è otticamente trasparente. Quindi utilizzano un raggio ionico focalizzato per tagliare centinaia di fori su scala nanometrica negli strati superiori del dispositivo. Questo speciale tipo di fascio ionico focalizzato consente la nanofabbricazione ad alto rendimento.
“Questo strumento è fondamentalmente come una penna su cui puoi incidere qualsiasi cosa con una risoluzione di 10 nanometri”, afferma.
Immergono il chip in una soluzione che contiene i mattoni precursori del polimero. Applicando una corrente elettrica alla soluzione, il materiale precursore viene attratto nei minuscoli fori sul chip e le antenne a forma di fungo “crescono” dal basso verso l’alto.
L’intero processo di fabbricazione è relativamente veloce e i ricercatori potrebbero utilizzare questa tecnica per realizzare un chip con milioni di antenne.
“Questa tecnica potrebbe essere facilmente adattata in modo da essere completamente scalabile. Il fattore limitante è il numero di antenne che possiamo fotografare contemporaneamente”, afferma.
I ricercatori hanno ottimizzato le dimensioni delle antenne e regolato i parametri, il che ha permesso loro di ottenere una sensibilità sufficientemente elevata per monitorare segnali con tensioni fino a 2,5 millivolt in esperimenti simulati. I segnali inviati dai neuroni per la comunicazione sono solitamente intorno ai 100 millivolt.
“Poiché ci siamo presi il tempo per approfondire e comprendere il modello teorico alla base di questo processo, possiamo massimizzare la sensibilità delle antenne”, afferma.
Gli OCEAN hanno inoltre risposto ai cambiamenti dei segnali in soli pochi millisecondi, consentendo loro di registrare segnali elettrici con una cinetica rapida. Andando avanti, i ricercatori vogliono testare i dispositivi con colture cellulari reali. Vogliono anche rimodellare le antenne in modo che possano penetrare nelle membrane cellulari, consentendo un rilevamento del segnale più preciso.
Inoltre, vogliono studiare come gli OCEAN potrebbero essere integrati in dispositivi nanofotonici, che manipolano la luce su scala nanometrica per sensori e dispositivi ottici di prossima generazione.
Questa ricerca è finanziata, in parte, dal National Institutes of Health degli Stati Uniti e dal Fondo nazionale svizzero per la ricerca scientifica.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
