ทีมนักวิจัยจากสหรัฐอเมริกาได้พัฒนาเซ็นเซอร์นาโนอิเล็กทรอนิกส์ที่เป็นนวัตกรรมใหม่ ซึ่งตรวจวัดกิจกรรมทางไฟฟ้าและทางกลในเซลล์หัวใจไปพร้อมๆ กัน ซึ่งปูทางไปสู่การปรับปรุงแนวทางในการศึกษาโรคหัวใจ การทดสอบยา และเวชศาสตร์ฟื้นฟู เซ็นเซอร์ทำงานอย่างไรกันแน่? อะไรคือข้อได้เปรียบที่สำคัญเหนือแนวทางที่มีอยู่? และขั้นตอนต่อไปของทีมวิจัยคืออะไร?
เซ็นเซอร์นาโนอิเล็กทรอนิกส์
โรคหัวใจยังคงอยู่ในอันดับต้นๆ ของสาเหตุสำคัญของการเสียชีวิตของมนุษย์ และความสนใจในการศึกษาเรื่องเหล่านี้ยังคงเป็นสิ่งสำคัญอันดับแรกในชุมชนวิทยาศาสตร์ ในระหว่างการศึกษาดังกล่าว โดยทั่วไปจะสะดวกกว่าในการใช้งานมาก ในหลอดทดลอง เนื้อเยื่อที่มีอยู่ภายนอกร่างกายมนุษย์ – และสามารถตรวจสอบสถานะของเนื้อเยื่อได้อย่างต่อเนื่องโดยมีการรบกวนน้อยที่สุด
ในความพยายามที่จะเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการดังกล่าว นักวิจัยจาก มหาวิทยาลัยแมสซาชูเซตเมิร์สต์ และ มหาวิทยาลัยมิสซูรี ได้สร้างเซ็นเซอร์นาโนอิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็ก ซึ่งมีขนาดเล็กกว่าเซลล์เดียวมาก ซึ่งสามารถวัดการตอบสนองของเซลล์ทางไฟฟ้าและทางกลในเนื้อเยื่อหัวใจไปพร้อมๆ กัน และทำเช่นนี้ในลักษณะที่เซลล์หรือเนื้อเยื่อที่อยู่ระหว่างการตรวจสอบไม่ "รู้สึก" ว่ามีอะไรแปลก ๆ เสียบอยู่
เนื่องจากการตอบสนองทางไฟฟ้าและทางกลจากเซลล์มีความสัมพันธ์กันอย่างซับซ้อน ผ่านกระบวนการเชื่อมต่อระหว่างการกระตุ้นและการหดตัว การวัดพร้อมกันจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งในการระบุกลไกทางสรีรวิทยาและพยาธิวิทยา
ในฐานะหัวหน้าทีม จุนเหยา อธิบายว่าเซ็นเซอร์ที่มีอยู่สามารถตรวจจับได้เฉพาะกิจกรรมทางไฟฟ้าหรือทางกลไกในเนื้อเยื่อหัวใจหรือเซลล์เท่านั้น “เราจำเป็นต้องตรวจจับสัญญาณทั้งสองพร้อมกันเพื่อตรวจสอบสถานะของเนื้อเยื่อได้ดีขึ้นและเปิดเผยข้อมูลกลไกเพิ่มเติม” เขากล่าว
นาโนเซ็นเซอร์ใหม่ทำจากวัสดุอนินทรีย์หรืออินทรีย์ที่ได้รับการทดสอบอย่างเข้มงวดเพื่อให้แน่ใจว่าสามารถเข้ากันได้ทางชีวภาพ เซ็นเซอร์ประกอบด้วยลวดนาโนซิลิคอนเซมิคอนดักเตอร์แบบแขวนลอย ซึ่งมีขนาดเล็กกว่าเซลล์ถึง 100 เท่า และไม่เป็นพิษต่อเซลล์ “ลองจินตนาการว่ามันเป็นเชือกเล็กๆ ที่ถูกห้อยไว้ ถ้าคุณดึงมัน มันจะรู้สึกถึงความตึงเครียด” เหยาอธิบาย “นั่นคือวิธีที่มันสามารถตรวจจับสัญญาณทางกลจากเซลล์ได้ ในขณะเดียวกัน ลองจินตนาการว่ามันเป็นสายเคเบิลนำไฟฟ้า ซึ่งหมายความว่ามันสามารถตรวจจับสัญญาณไฟฟ้าจากเซลล์ได้เช่นกัน”
ขั้นตอนถัดไป
ตามที่ Yao กล่าว ปัจจุบันนาโนเซนเซอร์ถูกประดิษฐ์ขึ้นบนพื้นผิวที่ใช้ไบโอชิปแบบแบน โดยมีการเพาะเลี้ยงเซลล์หัวใจอยู่ด้านบน อย่างไรก็ตาม ในอนาคต มีความเป็นไปได้ที่พวกมันจะถูกฝังลงในเนื้อเยื่อในรูปแบบการกระจายแบบ 3 มิติ
“เซ็นเซอร์สามารถวางไว้ในแบบจำลองเนื้อเยื่อภายนอกร่างกาย ซึ่งสามารถใช้เพื่อทดสอบตัวแปรสำคัญ เช่น ผลกระทบของยา ดังนั้นเซ็นเซอร์จึงให้ข้อเสนอแนะเกี่ยวกับผลกระทบของยาต่อเนื้อเยื่อหัวใจหรือเซลล์” เหยาอธิบาย “เนื้อเยื่อหัวใจถูกขับเคลื่อนโดยกลไกที่เรียกว่าการกระตุ้นและการหดตัว – กระบวนการแรกเป็นกระบวนการทางไฟฟ้าและกระบวนการทางกล – และเราจำเป็นต้องตรวจสอบทั้งสองอย่างเพื่อให้ข้อเสนอแนะที่แม่นยำที่สุด เซ็นเซอร์รุ่นก่อนสามารถบอกได้เพียงตัวเดียวเท่านั้น ตอนนี้เราสามารถตรวจสอบทั้งสองกระบวนการร่วมกันได้แล้ว”
อาร์เรย์ทรานซิสเตอร์ขนาดเล็กบันทึกกิจกรรมทางไฟฟ้าภายในเซลล์หัวใจ
เมื่อมองไปข้างหน้า Yao เผยให้เห็นว่ามีความเป็นไปได้ที่เซ็นเซอร์จะสามารถรวมเข้ากับสิ่งที่เขาอธิบายว่าเป็น "สารตั้งต้นที่นำส่งได้" เพื่อนำไปติดบนหัวใจที่มีชีวิตเพื่อการตรวจติดตามสุขภาพและการวินิจฉัยโรคในระยะเริ่มแรก
“นี่อาจฟังดูน่ากลัว แต่ลองจินตนาการว่าทุกสิ่งทุกอย่างมีขนาดเล็กจนไม่ก่อให้เกิดการรบกวนจิตใจ” เขากล่าว “ขั้นตอนต่อไปคือ เราจะแปลการบูรณาการไบโอชิประนาบปัจจุบันเป็นการบูรณาการ 3 มิติ เพื่อให้เซ็นเซอร์เข้าถึงเซลล์ในพื้นที่ 3 มิติ วิธีที่เป็นไปได้คือการรวมเซ็นเซอร์เหล่านี้เข้ากับโครงเนื้อเยื่อที่อ่อนนุ่มและมีรูพรุนซึ่งสามารถฝังอยู่ในเนื้อเยื่อ 3 มิติได้ตามธรรมชาติ”
นักวิจัยอธิบายการค้นพบของพวกเขาใน วิทยาศาสตร์ก้าวหน้า.
