Một nhóm các nhà nghiên cứu có trụ sở tại Hoa Kỳ đã phát triển một cảm biến điện tử nano cải tiến đo đồng thời hoạt động điện và cơ học trong tế bào tim – mở đường cho các phương pháp tiếp cận cải tiến đối với nghiên cứu bệnh tim, thử nghiệm thuốc và y học tái tạo. Vì vậy, chính xác thì cảm biến hoạt động như thế nào? Lợi thế chính của nó so với các phương pháp hiện có là gì? Và các bước tiếp theo cho nhóm nghiên cứu là gì?
Cảm biến điện tử nano
Các bệnh về tim vẫn đứng đầu danh sách những nguyên nhân hàng đầu gây tử vong ở người và mối quan tâm nghiên cứu về chúng vẫn là ưu tiên hàng đầu trong cộng đồng khoa học. Trong các nghiên cứu như vậy, nó thường thuận tiện hơn nhiều để sử dụng ống nghiệm mô tồn tại bên ngoài cơ thể con người – và để có thể liên tục theo dõi tình trạng mô với sự gián đoạn tối thiểu.
Trong nỗ lực tối ưu hóa các quy trình như vậy, các nhà nghiên cứu từ Đại học Massachusetts Amherst và Đại học Missouri đã tạo ra một cảm biến điện tử nano cực nhỏ, nhỏ hơn nhiều so với một tế bào đơn lẻ, có khả năng đo đồng thời các phản ứng điện và cơ học của tế bào trong mô tim. Và nó thực hiện điều này theo cách mà tế bào hoặc mô đang được điều tra không “cảm thấy” có bất kỳ thứ gì lạ cắm vào nó.
Bởi vì các phản ứng điện và cơ học từ các tế bào có mối tương quan phức tạp, thông qua quá trình ghép đôi kích thích-co thắt, phép đo đồng thời của chúng là rất quan trọng để xác định các cơ chế sinh lý và bệnh lý.
Là trưởng nhóm Quân Dao giải thích, các cảm biến hiện tại chỉ có thể phát hiện hoạt động điện hoặc cơ học trong mô hoặc tế bào tim. Ông nói: “Chúng tôi cần phát hiện đồng thời cả hai tín hiệu để theo dõi tình trạng mô tốt hơn và tiết lộ nhiều thông tin cơ học hơn.
Các cảm biến nano mới được làm từ vật liệu vô cơ hoặc hữu cơ được kiểm tra nghiêm ngặt để đảm bảo chúng tương thích sinh học. Cảm biến kết hợp một dây nano silicon bán dẫn lơ lửng nhỏ hơn 100 lần so với tế bào và không gây độc hại cho tế bào. “Hãy tưởng tượng đó là một sợi dây treo nhỏ xíu – nếu bạn kéo nó, nó có thể cảm thấy căng,” Yao giải thích. “Vì vậy, đó là cách mà nó có thể phát hiện tín hiệu cơ học từ các tế bào. Trong khi đó, hãy tưởng tượng rằng nó là một sợi cáp dẫn điện, nghĩa là nó cũng có thể phát hiện tín hiệu điện từ các tế bào.”
Các bước tiếp theo
Theo Yao, các cảm biến nano hiện đang được chế tạo trên một chất nền dựa trên chip sinh học phẳng, với các tế bào tim được nuôi cấy bên trên. Tuy nhiên, trong tương lai, có khả năng chúng có thể được nhúng vào mô trong phân phối 3D.
Yao giải thích: “Các cảm biến có thể được đặt trong các mô hình mô bên ngoài cơ thể, có thể được sử dụng để kiểm tra các biến số chính như tác dụng của thuốc, vì vậy cảm biến cung cấp phản hồi về tác dụng của thuốc đối với mô hoặc tế bào tim. “Mô tim được điều khiển bởi cái gọi là cơ chế co bóp kích thích – trước đây là quá trình điện và sau là quá trình cơ học – và chúng tôi cần theo dõi cả hai để đưa ra phản hồi chính xác nhất. Các cảm biến trước đây chỉ có thể cho biết một trong số chúng; bây giờ chúng tôi có thể giám sát cả hai quá trình cùng nhau.”
Mảng bóng bán dẫn nhỏ ghi lại hoạt động điện bên trong tế bào tim
Nhìn xa hơn về phía trước, Yao tiết lộ rằng cũng có khả năng các cảm biến có thể được tích hợp vào thứ mà ông mô tả là “chất nền có thể phân phối được”, để chúng có thể được vá trên một trái tim sống để theo dõi sức khỏe và chẩn đoán bệnh sớm.
Ông nói: “Điều này nghe có vẻ đáng sợ – nhưng hãy tưởng tượng rằng mọi thứ đều nhỏ đến mức không gây nhiễu loạn cho tim. “Bước tiếp theo là chúng tôi sẽ dịch tích hợp chip sinh học phẳng hiện tại thành tích hợp 3D, để các cảm biến tiếp cận với các tế bào trong không gian 3D. Một cách khả thi là tích hợp các cảm biến này trên một giàn mô mềm, xốp có thể nhúng tự nhiên vào mô 3D.”
Các nhà nghiên cứu mô tả những phát hiện của họ trong Những tiến bộ khoa học.
