Μια ομάδα ερευνητών με έδρα τις ΗΠΑ ανέπτυξε έναν καινοτόμο νανοηλεκτρονικό αισθητήρα που μετρά ταυτόχρονα την ηλεκτρική και μηχανική δραστηριότητα στα καρδιακά κύτταρα – ανοίγοντας το δρόμο για βελτιωμένες προσεγγίσεις στις μελέτες καρδιακών παθήσεων, στις δοκιμές φαρμάκων και στην αναγεννητική ιατρική. Λοιπόν, πώς ακριβώς λειτουργεί ο αισθητήρας; Ποια είναι τα βασικά πλεονεκτήματά του σε σχέση με τις υπάρχουσες προσεγγίσεις; Και ποια είναι τα επόμενα βήματα για την ερευνητική ομάδα;
Νανοηλεκτρονικός αισθητήρας
Οι καρδιακές παθήσεις παραμένουν επίμονα στην κορυφή της λίστας με τις κύριες αιτίες ανθρώπινης θνησιμότητας και το ενδιαφέρον για τη μελέτη τους παραμένει προτεραιότητα στην επιστημονική κοινότητα. Κατά τη διάρκεια τέτοιων μελετών, είναι γενικά πολύ πιο βολικό στη χρήση in vitro ιστό που υπάρχει έξω από το ανθρώπινο σώμα – και να είναι σε θέση να παρακολουθεί συνεχώς την κατάσταση των ιστών με ελάχιστη διακοπή.
Σε μια προσπάθεια βελτιστοποίησης τέτοιων διαδικασιών, ερευνητές από το Πανεπιστήμιο της Μασαχουσέτης Amherst και την Πανεπιστήμιο του Μιζούρι έχουν δημιουργήσει έναν μικροσκοπικό νανοηλεκτρονικό αισθητήρα, πολύ μικρότερο από ένα μόνο κύτταρο, που είναι ικανός να μετράει ταυτόχρονα ηλεκτρικές και μηχανικές κυτταρικές αποκρίσεις στον καρδιακό ιστό. Και το κάνει αυτό με τέτοιο τρόπο ώστε το υπό διερεύνηση κύτταρο ή ιστός να μην «αισθάνεται» οτιδήποτε περίεργο είναι συνδεδεμένο σε αυτό.
Επειδή οι ηλεκτρικές και μηχανικές αποκρίσεις από τα κύτταρα συσχετίζονται περίπλοκα, μέσω της διαδικασίας σύζευξης διέγερσης-συστολής, η ταυτόχρονη μέτρησή τους είναι κρίσιμη για τον εντοπισμό φυσιολογικών και παθολογικών μηχανισμών.
Ως αρχηγός ομάδας Τζουν Γιάο εξηγεί, οι υπάρχοντες αισθητήρες μπορούν να ανιχνεύσουν μόνο είτε την ηλεκτρική είτε τη μηχανική δραστηριότητα στον καρδιακό ιστό ή στο κύτταρο. «Χρειαζόμασταν να ανιχνεύσουμε και τα δύο σήματα ταυτόχρονα για να παρακολουθήσουμε καλύτερα την κατάσταση των ιστών και να αποκαλύψουμε περισσότερες μηχανιστικές πληροφορίες», λέει.
Οι νέοι νανοαισθητήρες είναι κατασκευασμένοι από ανόργανα ή οργανικά υλικά που ελέγχονται αυστηρά για να διασφαλιστεί ότι είναι βιοσυμβατοί. Ο αισθητήρας ενσωματώνει ένα αιωρούμενο ημιαγώγιμο νανοσύρμα πυριτίου που είναι 100 φορές μικρότερο από ένα στοιχείο και είναι μη τοξικό για το στοιχείο. "Φανταστείτε ότι είναι ένα μικροσκοπικό κρεμασμένο σχοινί - αν το τραβήξετε, μπορεί να νιώσει την πίεση", εξηγεί ο Yao. «Έτσι, αυτός είναι ο τρόπος που μπορεί να ανιχνεύσει το μηχανικό σήμα από τα κύτταρα. Εν τω μεταξύ, φανταστείτε ότι είναι ένα αγώγιμο καλώδιο, που σημαίνει ότι μπορεί επίσης να ανιχνεύσει τα ηλεκτρικά σήματα από τα κύτταρα.»
Τα επόμενα βήματα
Σύμφωνα με τον Yao, οι νανοαισθητήρες κατασκευάζονται επί του παρόντος σε ένα επίπεδο υπόστρωμα που βασίζεται σε βιοτσίπ, με τα καρδιακά κύτταρα να καλλιεργούνται από πάνω. Ωστόσο, στο μέλλον, υπάρχει πιθανότητα να ενσωματωθούν σε ιστό σε τρισδιάστατη κατανομή.
«Οι αισθητήρες μπορούν να τοποθετηθούν σε μοντέλα ιστών έξω από το σώμα, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη δοκιμή βασικών μεταβλητών όπως τα αποτελέσματα των φαρμάκων, έτσι ώστε ο αισθητήρας να παρέχει ανατροφοδότηση σχετικά με την επίδραση του φαρμάκου στον καρδιακό ιστό ή στα κύτταρα», εξηγεί ο Yao. «Ο καρδιακός ιστός οδηγείται από τον λεγόμενο μηχανισμό διέγερσης-συστολής –ο πρώτος μια ηλεκτρική διαδικασία και ο δεύτερος μια μηχανική διαδικασία– και πρέπει να παρακολουθούμε και τα δύο για να δώσουμε την πιο ακριβή ανατροφοδότηση. Οι προηγούμενοι αισθητήρες μπορούν να διακρίνουν μόνο έναν από αυτούς. Τώρα μπορούμε να παρακολουθούμε και τις δύο διαδικασίες μαζί».
Μικροσκοπικές συστοιχίες τρανζίστορ καταγράφουν την ηλεκτρική δραστηριότητα μέσα στα καρδιακά κύτταρα
Κοιτάζοντας πιο μπροστά, ο Yao αποκαλύπτει ότι υπάρχει επίσης η πιθανότητα οι αισθητήρες να ενσωματωθούν σε αυτό που περιγράφει ως «παραδοτέο υπόστρωμα», έτσι ώστε να μπορούν να μπαλωθούν σε μια ζωντανή καρδιά για παρακολούθηση της υγείας και έγκαιρη διάγνωση ασθενειών.
«Αυτό μπορεί να ακούγεται τρομακτικό – αλλά φανταστείτε ότι όλα είναι τόσο μικρά που δεν προκαλούν διαταραχή στην καρδιά», λέει. «Το επόμενο βήμα είναι ότι θα μεταφράσουμε την τρέχουσα επίπεδη ενσωμάτωση βιοτσιπ σε τρισδιάστατη ολοκλήρωση, έτσι ώστε οι αισθητήρες να φτάνουν στα κύτταρα στον τρισδιάστατο χώρο. Ένας πιθανός τρόπος είναι να ενσωματωθούν αυτοί οι αισθητήρες σε ένα μαλακό, πορώδες ικρίωμα ιστού που μπορεί φυσικά να ενσωματωθεί στον τρισδιάστατο ιστό».
Οι ερευνητές περιγράφουν τα ευρήματά τους στο Προκαταβολές Επιστήμη.
