Команда американських дослідників розробила інноваційний наноелектронний датчик, який одночасно вимірює електричну та механічну активність у клітинах серця, прокладаючи шлях до вдосконалених підходів до досліджень серцевих захворювань, тестування ліків і регенеративної медицини. Отже, як саме працює датчик? Які його ключові переваги перед існуючими підходами? І які подальші кроки дослідницької групи?
Наноелектронний датчик
Захворювання серця вперто залишаються на вершині списку основних причин смертності людей, і інтерес до їх вивчення залишається пріоритетним у науковому співтоваристві. Під час таких досліджень, як правило, набагато зручніше використовувати пробірці тканини, яка існує поза людським тілом – і мати можливість постійно контролювати стан тканини з мінімальними порушеннями.
Прагнучи оптимізувати такі процеси, дослідники з Університет штату Массачусетс, Амхерст і Університет Міссурі створили крихітний наноелектронний датчик, набагато менший за окрему клітину, який здатний одночасно вимірювати електричні та механічні реакції клітин у серцевій тканині. І це робиться таким чином, що досліджувана клітина або тканина не «відчуває» нічого дивного, підключеного до неї.
Оскільки електричні та механічні реакції клітин тісно пов’язані через процес сполучення збудження-скорочення, їх одночасне вимірювання є критичним для визначення фізіологічних і патологічних механізмів.
Як керівник команди Цзюнь Яо пояснює, що існуючі датчики можуть виявляти лише електричну або механічну активність серцевої тканини чи клітини. «Нам потрібно було виявити обидва сигнали одночасно, щоб краще контролювати стан тканин і отримати більше механічної інформації», — говорить він.
Нові наносенсори виготовлені з неорганічних або органічних матеріалів, які ретельно перевіряються на біосумісність. Датчик містить підвішений напівпровідниковий кремнієвий нанодрот, який у 100 разів менший за клітину та нетоксичний для клітини. «Уявіть, що це крихітна підвішена мотузка — якщо її потягнути, вона відчує натяг», — пояснює Яо. «Таким чином він може виявляти механічний сигнал від клітин. Тим часом уявіть, що це провідний кабель, тобто він також може виявляти електричні сигнали від клітин».
Наступні кроки
За словами Яо, наносенсори в даний час виготовляються на плоскій підкладці на основі біочіпа, на якій культивуються клітини серця. Однак у майбутньому існує ймовірність того, що вони можуть бути вбудовані в тканину в 3D-розподілі.
«Датчики можна розміщувати в моделях тканин поза тілом, які можна використовувати для тестування ключових змінних, таких як вплив ліків, таким чином датчик забезпечує зворотний зв’язок про вплив препарату на серцеву тканину або клітини», — пояснює Яо. «Серцевою тканиною керує так званий механізм збудження-скорочення — перший є електричним процесом, а другий — механічним процесом, і нам потрібно контролювати обидва, щоб дати найбільш точний зворотний зв’язок. Попередні датчики можуть визначити лише один із них; тепер ми можемо контролювати обидва процеси разом».
Крихітні масиви транзисторів записують електричну активність у клітинах серця
Заглядаючи далі, Яо показує, що існує ймовірність того, що датчики можуть бути інтегровані на те, що він описує як «субстрат для доставки», щоб їх можна було прикріпити до живого серця для моніторингу здоров’я та ранньої діагностики захворювань.
«Це може здатися страшним, але уявіть, що все настільки мало, що не викликає збурення в серці», — говорить він. «Наступним кроком є те, що ми переведемо поточну планарну інтеграцію біочіпів у 3D-інтеграцію, щоб датчики досягали клітин у 3D-просторі. Можливий спосіб полягає в тому, щоб інтегрувати ці датчики в каркас з м’якої пористої тканини, який може природним чином вбудовуватися в 3D-тканину».
Дослідники описують свої відкриття в Наука розвивається.
