Ein Team US-amerikanischer Forscher hat einen innovativen nanoelektronischen Sensor entwickelt, der gleichzeitig die elektrische und mechanische Aktivität in Herzzellen misst – und damit den Weg für verbesserte Ansätze für Studien zu Herzerkrankungen, Medikamententests und regenerative Medizin ebnet. Wie genau funktioniert der Sensor? Was sind die Hauptvorteile gegenüber bestehenden Ansätzen? Und was sind die nächsten Schritte für das Forschungsteam?
Nanoelektronischer Sensor
Herzerkrankungen bleiben hartnäckig an der Spitze der Liste der häufigsten Todesursachen beim Menschen, und das Interesse an ihrer Erforschung hat in der wissenschaftlichen Gemeinschaft nach wie vor Priorität. Während solcher Studien ist die Verwendung im Allgemeinen wesentlich komfortabler in vitro Gewebe, das außerhalb des menschlichen Körpers vorhanden ist – und um den Gewebestatus mit minimalen Störungen ständig überwachen zu können.
Um solche Prozesse zu optimieren, haben Forscher des University of Massachusetts Amherst und für University of Missouri haben einen winzigen nanoelektronischen Sensor entwickelt, der viel kleiner als eine einzelne Zelle ist und in der Lage ist, gleichzeitig elektrische und mechanische Zellreaktionen im Herzgewebe zu messen. Und zwar so, dass die zu untersuchende Zelle oder das untersuchte Gewebe nicht „spürt“, dass etwas Ungewöhnliches darin steckt.
Da die elektrischen und mechanischen Reaktionen von Zellen durch den Kopplungsprozess zwischen Erregung und Kontraktion eng miteinander korrelieren, ist ihre gleichzeitige Messung für die Identifizierung physiologischer und pathologischer Mechanismen von entscheidender Bedeutung.
Als Teamleiter Jun Yao erklärt, können bestehende Sensoren nur entweder die elektrische oder die mechanische Aktivität im Herzgewebe oder der Herzzelle erfassen. „Wir mussten beide Signale gleichzeitig erkennen, um den Gewebestatus besser überwachen und mehr mechanistische Informationen liefern zu können“, sagt er.
Die neuen Nanosensoren werden aus anorganischen oder organischen Materialien hergestellt, die strengen Tests unterzogen werden, um sicherzustellen, dass sie biokompatibel sind. Der Sensor enthält einen schwebenden halbleitenden Silizium-Nanodraht, der 100-mal kleiner als eine Zelle ist und für die Zelle ungiftig ist. „Stellen Sie sich vor, es wäre ein winziges hängendes Seil – wenn man daran zieht, kann es die Belastung spüren“, erklärt Yao. „Auf diese Weise kann es das mechanische Signal von Zellen erkennen. Stellen Sie sich vor, es wäre ein leitendes Kabel, das heißt, es kann auch die elektrischen Signale von Zellen erkennen.“
Nächste Schritte
Laut Yao werden die Nanosensoren derzeit auf einem flachen, biochipbasierten Substrat hergestellt, auf dem Herzzellen kultiviert werden. In Zukunft besteht jedoch die Möglichkeit, dass sie in einer 3D-Verteilung in Gewebe eingebettet werden.
„Die Sensoren können in Gewebemodellen außerhalb des Körpers platziert werden, die zum Testen wichtiger Variablen wie Arzneimittelwirkungen verwendet werden können, sodass der Sensor Feedback über die Wirkung des Arzneimittels auf das Herzgewebe oder die Herzzellen liefert“, erklärt Yao. „Das Herzgewebe wird durch den sogenannten Erregungs-Kontraktions-Mechanismus angetrieben – ersterer ist ein elektrischer Prozess und letzterer ein mechanischer Prozess – und wir müssen beide überwachen, um ein möglichst genaues Feedback zu geben. Bisherige Sensoren können nur einen davon erkennen; Jetzt können wir beide Prozesse gemeinsam überwachen.“
Winzige Transistor-Arrays zeichnen die elektrische Aktivität in Herzzellen auf
Mit Blick auf die weitere Zukunft verrät Yao, dass es auch die Möglichkeit gibt, die Sensoren in ein von ihm als „lieferbares Substrat“ bezeichnetes Substrat zu integrieren, sodass sie zur Gesundheitsüberwachung und Frühdiagnose von Krankheiten an ein lebendes Herz angebracht werden können.
„Das mag beängstigend klingen – aber stellen Sie sich vor, dass alles so klein ist, dass es das Herz nicht stört“, sagt er. „Der nächste Schritt besteht darin, dass wir die aktuelle planare Biochip-Integration in eine 3D-Integration übersetzen, sodass die Sensoren Zellen im 3D-Raum erreichen. Eine mögliche Möglichkeit besteht darin, diese Sensoren auf einem weichen, porösen Gewebegerüst zu integrieren, das sich auf natürliche Weise in das 3D-Gewebe einbetten kann.“
Die Forscher beschreiben ihre Ergebnisse in Wissenschaft Fortschritte.
