Sebuah tim peneliti yang berbasis di AS telah mengembangkan sensor nanoelektronik inovatif yang secara bersamaan mengukur aktivitas listrik dan mekanik dalam sel jantung – membuka jalan bagi pendekatan yang lebih baik terhadap studi penyakit jantung, pengujian obat, dan pengobatan regeneratif. Jadi, bagaimana sebenarnya cara kerja sensor tersebut? Apa keunggulan utama pendekatan ini dibandingkan pendekatan yang sudah ada? Dan apa langkah selanjutnya yang dilakukan tim peneliti?
Sensor nanoelektronik
Penyakit jantung tetap berada di urutan teratas daftar penyebab utama kematian manusia, dan minat untuk mempelajarinya tetap menjadi prioritas dalam komunitas ilmiah. Selama penelitian seperti itu, umumnya lebih nyaman digunakan in vitro jaringan yang ada di luar tubuh manusia – dan untuk dapat terus memantau status jaringan dengan gangguan minimal.
Dalam upaya mengoptimalkan proses tersebut, peneliti dari University of Massachusetts Amherst dan University of Missouri telah menciptakan sensor nanoelektronik kecil, jauh lebih kecil dari sel tunggal, yang mampu mengukur respons sel listrik dan mekanik secara bersamaan di jaringan jantung. Dan hal ini dilakukan sedemikian rupa sehingga sel atau jaringan yang diteliti tidak “merasakan” sesuatu yang aneh terhubung ke dalamnya.
Karena respons listrik dan mekanik dari sel berkorelasi secara rumit, melalui proses penggandengan eksitasi-kontraksi, pengukuran simultan keduanya sangat penting untuk mengidentifikasi mekanisme fisiologis dan patologis.
Sebagai pemimpin tim Juni Yao menjelaskan, sensor yang ada hanya dapat mendeteksi aktivitas listrik atau mekanik pada jaringan atau sel jantung. “Kami perlu mendeteksi kedua sinyal secara bersamaan untuk memantau status jaringan dengan lebih baik dan mengungkap informasi yang lebih mekanistik,” katanya.
Sensor nano baru terbuat dari bahan anorganik atau organik yang diuji secara ketat untuk memastikan biokompatibelnya. Sensor ini menggunakan kawat nano silikon semikonduktor tersuspensi yang 100 kali lebih kecil dari sel dan tidak beracun bagi sel. “Bayangkan itu adalah tali kecil yang tergantung – jika Anda menariknya, ia akan merasakan ketegangannya,” jelas Yao. “Jadi begitulah cara mendeteksi sinyal mekanis dari sel. Sedangkan bayangkan itu kabel penghantar, artinya bisa juga mendeteksi sinyal listrik dari sel.”
Langkah berikutnya
Menurut Yao, sensor nano saat ini dibuat pada substrat datar berbasis biochip, dengan sel jantung dikultur di atasnya. Namun, di masa depan, ada kemungkinan mereka dapat ditanamkan ke dalam jaringan dalam distribusi 3D.
“Sensor dapat ditempatkan pada model jaringan di luar tubuh, yang dapat digunakan untuk menguji variabel kunci seperti efek obat, sehingga sensor memberikan umpan balik tentang efek obat pada jaringan atau sel jantung,” jelas Yao. “Jaringan jantung digerakkan oleh apa yang disebut mekanisme eksitasi-kontraktil – yang pertama adalah proses listrik dan yang kedua adalah proses mekanis – dan kita perlu memantau keduanya untuk memberikan umpan balik yang paling akurat. Sensor sebelumnya hanya dapat mengetahui salah satunya; kami sekarang dapat memantau kedua proses tersebut secara bersamaan.”
Rangkaian transistor kecil merekam aktivitas listrik di dalam sel jantung
Melihat lebih jauh ke depan, Yao mengungkapkan bahwa ada juga kemungkinan bahwa sensor-sensor tersebut dapat diintegrasikan ke dalam apa yang ia gambarkan sebagai “substrat yang dapat dikirimkan”, sehingga sensor-sensor tersebut dapat ditempelkan pada jantung yang hidup untuk pemantauan kesehatan dan diagnosis penyakit secara dini.
“Ini mungkin terdengar menakutkan – tapi bayangkan semuanya begitu kecil sehingga tidak menimbulkan gangguan pada jantung,” katanya. “Langkah selanjutnya adalah kami akan menerjemahkan integrasi biochip planar saat ini ke dalam integrasi 3D, sehingga sensor akan menjangkau sel-sel di ruang 3D. Cara yang mungkin dilakukan adalah dengan mengintegrasikan sensor-sensor ini pada perancah jaringan lunak dan berpori yang secara alami dapat tertanam dalam jaringan 3D.”
Para peneliti menggambarkan temuan mereka di Kemajuan ilmu pengetahuan.
