Ett team av USA-baserade forskare har utvecklat en innovativ nanoelektronisk sensor som samtidigt mäter elektrisk och mekanisk aktivitet i hjärtceller – vilket banar väg för förbättrade metoder för hjärtsjukdomsstudier, drogtester och regenerativ medicin. Så, exakt hur fungerar sensorn? Vilka är dess viktigaste fördelar jämfört med befintliga metoder? Och vad är nästa steg för forskargruppen?
Nanoelektronisk sensor
Hjärtsjukdomar förblir envist högst upp på listan över de främsta orsakerna till mänsklig dödlighet, och intresset för att studera dem är fortfarande en prioritet inom det vetenskapliga samfundet. Under sådana studier är det i allmänhet mycket bekvämare att använda vitro vävnad som finns utanför människokroppen – och att ständigt kunna övervaka vävnadsstatus med minimala störningar.
I ett försök att optimera sådana processer har forskare från University of Massachusetts Amherst och University of Missouri har skapat en liten nanoelektronisk sensor, mycket mindre än en enda cell, som kan samtidigt mäta elektriska och mekaniska cellulära svar i hjärtvävnad. Och det gör detta på ett sådant sätt att cellen eller vävnaden som undersöks inte "känner" något konstigt inkopplat i den.
Eftersom de elektriska och mekaniska svaren från celler är intrikat korrelerade, genom excitation-kontraktionskopplingsprocessen, är deras samtidiga mätning avgörande för att identifiera fysiologiska och patologiska mekanismer.
Som lagledare Jun Yao förklarar att befintliga sensorer bara kan detektera antingen den elektriska eller den mekaniska aktiviteten i hjärtvävnaden eller cellen. "Vi behövde detektera båda signalerna samtidigt för att bättre övervaka vävnadsstatus och avslöja mer mekanistisk information", säger han.
De nya nanosensorerna är gjorda av oorganiska eller organiska material som är rigoröst testade för att säkerställa att de är biokompatibla. Sensorn innehåller en upphängd halvledande nanotråd av kisel som är 100 gånger mindre än en cell och som inte är giftig för cellen. "Föreställ dig att det är ett litet upphängt rep - om du drar i det kan det känna påfrestningen", förklarar Yao. "Så det är så det kan upptäcka den mekaniska signalen från celler. Föreställ dig under tiden att det är en ledande kabel, vilket betyder att den också kan upptäcka de elektriska signalerna från celler."
Nästa steg
Enligt Yao tillverkas nanosensorerna för närvarande på ett platt biochipbaserat substrat, med hjärtceller odlade ovanpå. Men i framtiden finns det en möjlighet att de kan bäddas in i vävnad i en 3D-distribution.
"Sensorerna kan placeras i vävnadsmodeller utanför kroppen, som kan användas för att testa nyckelvariabler som läkemedelseffekter, så sensorn ger feedback om effekten av läkemedlet på hjärtvävnaden eller hjärtcellerna", förklarar Yao. ”Hjärtvävnaden drivs av den så kallade excitations-kontraktila mekanismen – den förra en elektrisk process och den senare en mekanisk process – och vi måste övervaka båda för att ge den mest exakta feedbacken. Tidigare sensorer kan bara berätta för en av dem; vi kan nu övervaka båda processerna tillsammans.”
Små transistormatriser registrerar elektrisk aktivitet inuti hjärtcellerna
När man ser längre fram avslöjar Yao att det också finns en möjlighet att sensorerna kan integreras på vad han beskriver som ett "leverbart substrat", så att de kan lappas på ett levande hjärta för hälsoövervakning och tidig sjukdomsdiagnos.
"Det här kan låta skrämmande - men tänk dig att allt är så litet att det inte skapar störningar i hjärtat", säger han. "Nästa steg är att vi kommer att översätta den nuvarande plana biochipsintegrationen till en 3D-integration, så att sensorerna når ut till celler i 3D-rymden. Ett möjligt sätt är att integrera dessa sensorer på en mjuk, porös vävnadsställning som naturligt kan bäddas in i 3D-vävnaden."
Forskarna beskriver sina fynd i Vetenskap Förskott.
