Et team av USA-baserte forskere har utviklet en innovativ nanoelektronisk sensor som samtidig måler elektrisk og mekanisk aktivitet i hjerteceller – og baner vei for forbedrede tilnærminger til hjertesykdomsstudier, medikamenttesting og regenerativ medisin. Så hvordan fungerer sensoren? Hva er dens viktigste fordeler i forhold til eksisterende tilnærminger? Og hva er de neste trinnene for forskerteamet?
Nanoelektronisk sensor
Hjertesykdommer forblir hardnakket øverst på listen over de viktigste årsakene til menneskelig dødelighet, og interessen for å studere dem er fortsatt en prioritet i det vitenskapelige miljøet. Under slike studier er det generelt mye mer praktisk å bruke vitro vev som eksisterer utenfor menneskekroppen – og for å kunne konstant overvåke vevsstatus med minimal forstyrrelse.
I et forsøk på å optimalisere slike prosesser har forskere fra University of Massachusetts Amherst og University of Missouri har laget en liten nanoelektronisk sensor, mye mindre enn en enkelt celle, som er i stand til samtidig å måle elektriske og mekaniske cellulære responser i hjertevev. Og det gjør dette på en slik måte at cellen eller vevet som undersøkes ikke "føler" noe rart plugget inn i den.
Fordi de elektriske og mekaniske responsene fra celler er intrikat korrelert, gjennom eksitasjons-sammentrekningskoblingsprosessen, er deres samtidige måling avgjørende for å identifisere fysiologiske og patologiske mekanismer.
Som teamleder juni Yao forklarer at eksisterende sensorer bare kan oppdage enten den elektriske eller mekaniske aktiviteten i hjertevevet eller cellen. "Vi trengte å oppdage begge signalene samtidig for å bedre overvåke vevsstatus og avsløre mer mekanistisk informasjon," sier han.
De nye nanosensorene er laget av uorganiske eller organiske materialer som er grundig testet for å sikre at de er biokompatible. Sensoren har en suspendert halvledende silisium nanotråd som er 100 ganger mindre enn en celle og er ikke giftig for cellen. "Tenk deg at det er et lite opphengt tau - hvis du trekker i det, kan det føle belastningen," forklarer Yao. "Så det er måten den kan oppdage det mekaniske signalet fra celler. I mellomtiden kan du forestille deg at det er en ledende kabel, noe som betyr at den også kan oppdage de elektriske signalene fra celler."
Neste trinn
Ifølge Yao er nanosensorene for tiden produsert på et flatt biochipbasert substrat, med hjerteceller dyrket på toppen. Men i fremtiden er det en mulighet for at de kan bli innebygd i vev i en 3D-distribusjon.
"Sensorene kan plasseres i vevsmodeller utenfor kroppen, som kan brukes til å teste nøkkelvariabler som medisineffekter, så sensoren gir tilbakemelding om effekten av stoffet på hjertevevet eller -cellene," forklarer Yao. «Hjertevevet er drevet av den såkalte eksitasjons-kontraktile mekanismen – førstnevnte en elektrisk prosess og sistnevnte en mekanisk prosess – og vi må overvåke begge deler for å gi den mest nøyaktige tilbakemeldingen. Tidligere sensorer kan bare fortelle én av dem; vi kan nå overvåke begge prosessene sammen."
Små transistorarrayer registrerer elektrisk aktivitet inne i hjertecellene
Når vi ser lenger fremover, avslører Yao at det også er en mulighet for at sensorene kan integreres i det han beskriver som et "leverbart substrat", slik at de kan lappes på et levende hjerte for helseovervåking og tidlig sykdomsdiagnose.
"Dette høres kanskje skummelt ut - men forestill deg at alt er så lite at det ikke introduserer forstyrrelser i hjertet," sier han. «Neste trinn er at vi vil oversette den nåværende plane biochip-integrasjonen til en 3D-integrasjon, slik at sensorene vil nå ut til celler i 3D-rommet. En mulig måte er å integrere disse sensorene på et mykt, porøst vevsstillas som naturlig kan legges inn i 3D-vevet."
Forskerne beskriver funnene sine i Vitenskap Fremskritt.
