Et team af amerikansk-baserede forskere har udviklet en innovativ nanoelektronisk sensor, der samtidig måler elektrisk og mekanisk aktivitet i hjerteceller - hvilket baner vejen for forbedrede tilgange til hjertesygdomsundersøgelser, lægemiddeltest og regenerativ medicin. Så hvordan fungerer sensoren præcist? Hvad er dens vigtigste fordele i forhold til eksisterende tilgange? Og hvad er de næste skridt for forskerholdet?
Nanoelektronisk sensor
Hjertesygdomme forbliver stædigt øverst på listen over de førende årsager til menneskelig dødelighed, og interessen for at studere dem er fortsat en prioritet i det videnskabelige samfund. Under sådanne undersøgelser er det generelt meget mere bekvemt at bruge vitro væv, der eksisterer uden for menneskekroppen – og for konstant at kunne overvåge vævsstatus med minimal forstyrrelse.
I et forsøg på at optimere sådanne processer har forskere fra University of Massachusetts Amherst og University of Missouri har skabt en lillebitte nanoelektronisk sensor, meget mindre end en enkelt celle, som er i stand til samtidig at måle elektriske og mekaniske cellulære responser i hjertevæv. Og det gør det på en sådan måde, at cellen eller vævet, der undersøges, ikke "føler" noget mærkeligt sat ind i det.
Fordi de elektriske og mekaniske reaktioner fra celler er indviklet korrelerede, gennem excitation-kontraktionskoblingsprocessen, er deres samtidige måling afgørende for at identificere fysiologiske og patologiske mekanismer.
Som teamleder Jun Yao forklarer, at eksisterende sensorer kun kan detektere enten den elektriske eller mekaniske aktivitet i hjertevævet eller cellen. "Vi var nødt til at detektere begge signaler samtidigt for bedre at overvåge vævsstatus og afsløre mere mekanistisk information," siger han.
De nye nanosensorer er lavet af uorganiske eller organiske materialer, der er grundigt testet for at sikre, at de er biokompatible. Sensoren inkorporerer en ophængt halvledende silicium nanotråd, der er 100 gange mindre end en celle og er ikke-giftig for cellen. "Forestil dig, at det er et lille ophængt reb - hvis du trækker i det, kan det mærke belastningen," forklarer Yao. "Så det er den måde, den kan detektere det mekaniske signal fra celler. I mellemtiden kan du forestille dig, at det er et ledende kabel, hvilket betyder, at det også kan registrere de elektriske signaler fra celler."
Næste skridt
Ifølge Yao er nanosensorerne i øjeblikket fremstillet på et fladt biochip-baseret substrat, med hjerteceller dyrket på toppen. Men i fremtiden er der mulighed for, at de kan blive indlejret i væv i en 3D-fordeling.
"Sensorerne kan placeres i vævsmodeller uden for kroppen, som kan bruges til at teste nøglevariabler som lægemiddeleffekter, så sensoren giver feedback om lægemidlets effekt på hjertevævet eller -cellerne," forklarer Yao. ”Hjertevævet er drevet af den såkaldte excitations-kontraktile mekanisme – førstnævnte en elektrisk proces og sidstnævnte en mekanisk proces – og vi skal overvåge begge dele for at give den mest præcise feedback. Tidligere sensorer kan kun fortælle én af dem; vi kan nu overvåge begge processer sammen."
Små transistor-arrays registrerer elektrisk aktivitet inde i hjerteceller
Ser man længere frem, afslører Yao, at der også er en mulighed for, at sensorerne kan integreres på, hvad han beskriver som et "leverbart substrat", så de kan plastres på et levende hjerte til sundhedsovervågning og tidlig sygdomsdiagnose.
"Det kan lyde skræmmende - men forestil dig, at alt er så lille, at det ikke introducerer forstyrrelser i hjertet," siger han. ”Næste trin er, at vi vil oversætte den nuværende plane biochip-integration til en 3D-integration, så sensorerne når ud til celler i 3D-rummet. En mulig måde er at integrere disse sensorer på et blødt, porøst vævsstillads, der naturligt kan indlejres i 3D-vævet."
Forskerne beskriver deres resultater i Science Forskud.
