مهندسان دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو ابزار جدید قدرتمندی را توسعه داده‌اند که با استفاده از حسگرهای کوچک «پاپ‌آپ» که بدون آسیب رساندن به سلول‌ها وارد سلول‌ها می‌شوند، فعالیت الکتریکی درون سلول‌های قلب را کنترل می‌کند. این دستگاه به طور مستقیم حرکت و سرعت سیگنال های الکتریکی را که در یک سلول قلب منفرد – اولین – و همچنین بین چندین سلول قلب حرکت می کنند، اندازه گیری می کند. همچنین اولین باری است که این سیگنال ها را در داخل سلول های بافت های سه بعدی اندازه گیری می کند.
این دستگاه در 23 دسامبر در مجله منتشر شد نانوتکنولوژی طبیعت، می تواند دانشمندان را قادر سازد تا بینش دقیق تری در مورد اختلالات و بیماری های قلبی مانند آریتمی (ریتم غیر طبیعی قلب)، حمله قلبی و فیبروز قلبی (سفتی یا ضخیم شدن بافت قلب) به دست آورند.
Yue Gu نویسنده اول که اخیراً دکترای خود را دریافت کرده است، می گوید: «مطالعه نحوه انتشار سیگنال الکتریکی بین سلول های مختلف برای درک مکانیسم عملکرد سلول و بیماری مهم است. در علم و مهندسی مواد در UC San Diego. به عنوان مثال، بی نظمی در این سیگنال می تواند نشانه ای از آریتمی باشد. اگر سیگنال نتواند به درستی از یک قسمت قلب به قسمت دیگر منتشر شود، بخشی از قلب نمی تواند سیگنال را دریافت کند بنابراین نمی تواند منقبض شود.
با این دستگاه می‌توانیم تا سطح سلولی زوم کنیم و تصویری با وضوح بسیار بالا از آنچه در قلب می‌گذرد به دست آوریم؛ می‌توانیم ببینیم کدام سلول‌ها خراب هستند، کدام قسمت‌ها با بقیه هماهنگ نشده‌اند، و مشخص کنیم که سیگنال کجاست. شنگ زو، نویسنده ارشد، استاد مهندسی نانو در دانشکده مهندسی UC San Diego Jacobs گفت: ضعیف است. “این اطلاعات می تواند برای کمک به اطلاع پزشکان و توانمندسازی آنها برای تشخیص بهتر مورد استفاده قرار گیرد.”
این دستگاه از یک آرایه سه بعدی از ترانزیستورهای اثر میدان میکروسکوپی یا FET تشکیل شده است که به شکل نوک های نوک تیز هستند. این FET های کوچک بدون آسیب رساندن به غشای سلولی به آنها نفوذ می کنند و به اندازه کافی حساس هستند تا سیگنال های الکتریکی – حتی سیگنال های بسیار ضعیف – را مستقیماً در داخل سلول ها تشخیص دهند. برای جلوگیری از دیده شدن به عنوان یک ماده خارجی و ماندن در داخل سلول ها برای مدت طولانی، FET ها در یک دولایه فسفولیپیدی پوشانده می شوند. FET ها می توانند سیگنال های چندین سلول را به طور همزمان نظارت کنند. آنها حتی می توانند سیگنال ها را در دو مکان مختلف در داخل یک سلول نظارت کنند.
گو گفت: “این چیزی است که این دستگاه را منحصر به فرد می کند.” می‌تواند دارای دو حسگر FET باشد که به داخل یک سلول نفوذ می‌کنند – با حداقل تهاجم – و به ما اجازه می‌دهند ببینیم که سیگنال از کدام طرف منتشر می‌شود و با چه سرعتی حرکت می‌کند. این اطلاعات دقیق در مورد انتقال سیگنال در یک سلول تا کنون ناشناخته بوده است. “
برای ساخت این دستگاه، تیم ابتدا FET ها را به شکل دوبعدی ساختند و سپس نقاط منتخبی از این اشکال را روی یک ورقه الاستومری از پیش کشیده چسباندند. سپس محققان صفحه الاستومری را شل کردند و باعث شد که دستگاه کمانش کند و FET ها در یک ساختار سه بعدی جمع شوند تا بتوانند به داخل سلول ها نفوذ کنند.
گو گفت: «این مثل یک کتاب پاپ آپ است. “این به عنوان یک ساختار دو بعدی شروع می شود و با نیروی فشاری در برخی قسمت ها ظاهر می شود و به یک ساختار سه بعدی تبدیل می شود.”
این تیم این دستگاه را بر روی کشت های سلولی عضله قلب و بافت های قلبی که در آزمایشگاه مهندسی شده بودند، آزمایش کردند. این آزمایش‌ها شامل قرار دادن کشت سلولی یا بافت در بالای دستگاه و سپس نظارت بر سیگنال‌های الکتریکی است که حسگرهای FET دریافت می‌کنند. با دیدن اینکه کدام حسگرها ابتدا یک سیگنال را شناسایی می‌کنند و سپس اندازه‌گیری زمان‌هایی که حسگرهای دیگر برای تشخیص سیگنال صرف می‌کنند، تیم می‌تواند مسیر حرکت سیگنال و سرعت آن را تعیین کند. محققان توانستند این کار را برای سیگنال‌هایی که بین سلول‌های مجاور حرکت می‌کنند و برای اولین بار برای سیگنال‌هایی که درون یک سلول عضله قلب حرکت می‌کنند، انجام دهند.
به گفته خو، چیزی که این موضوع را هیجان‌انگیزتر می‌کند این است که این اولین باری است که دانشمندان توانسته‌اند سیگنال‌های درون سلولی را در ساختارهای بافتی سه‌بعدی اندازه‌گیری کنند. او گفت: “تاکنون تنها سیگنال‌های خارج سلولی، یعنی سیگنال‌هایی که خارج از غشای سلولی هستند، در این نوع بافت‌ها اندازه‌گیری شده‌اند. اکنون، ما در واقع می‌توانیم سیگنال‌هایی را در داخل سلول‌هایی که در بافت سه بعدی یا ارگانوئید جاسازی شده‌اند، دریافت کنیم.” گفت.
آزمایش‌های این تیم منجر به مشاهده جالبی شد: سیگنال‌های درون سلول‌های قلب منفرد تقریباً پنج برابر سریع‌تر از سیگنال‌های بین سلول‌های متعدد قلب حرکت می‌کنند. گو گفت: مطالعه این نوع جزئیات می تواند بینش هایی را در مورد ناهنجاری های قلبی در سطح سلولی نشان دهد. “مثلاً در حال اندازه گیری سرعت سیگنال در یک سلول و سرعت سیگنال بین دو سلول هستید. اگر تفاوت بسیار زیادی بین این دو سرعت وجود دارد – یعنی اگر سرعت بین سلولی بسیار بسیار کوچکتر از سرعت درون سلولی باشد – – پس احتمالاً مشکلی در محل اتصال بین سلول‌ها وجود دارد که احتمالاً به دلیل فیبروز است.
گو افزود: زیست شناسان همچنین می توانند از این دستگاه برای مطالعه انتقال سیگنال بین اندامک های مختلف در یک سلول استفاده کنند. از دستگاهی مانند این می‌توان برای آزمایش داروهای جدید و مشاهده تأثیر آنها بر سلول‌ها و بافت‌های قلب استفاده کرد.
این دستگاه همچنین برای مطالعه فعالیت الکتریکی درون نورون ها مفید خواهد بود. این مسیری است که تیم در آینده به دنبال کشف آن است. در ادامه، محققان قصد دارند از دستگاه خود برای ثبت فعالیت الکتریکی در بافت بیولوژیکی واقعی در داخل بدن استفاده کنند. Xu یک دستگاه قابل کاشت را تصور می کند که می تواند بر روی سطح قلب تپنده یا سطح قشر قرار گیرد. اما دستگاه هنوز تا آن مرحله فاصله دارد. برای رسیدن به این هدف، محققان کارهای بیشتری از جمله تنظیم دقیق چیدمان حسگرهای FET، بهینه سازی اندازه آرایه FET و مواد و ادغام الگوریتم های پردازش سیگنال به کمک هوش مصنوعی در دستگاه دارند.
مقاله: “آرایه های ترانزیستوری سه بعدی برای ضبط درون و بین سلولی.” نویسندگان مشترک عبارتند از چونفنگ وانگ، نامهئون کیم، جینگشین ژانگ، تسویی مین وانگ، جنیفر استو، جینگ مو، مویانگ لین، ویکسین لی، چونگه وانگ، هوآ گونگ، ییمو چن، یوشنگ لی، هونگجی هو، یانگ لی، لین ژانگ، Zhenlong Huang، Pooja Banik، Liangfang Zhang و Andrew D. McCulloch، UC San Diego; روح الله نصیری، صمد احدیان و علی خادمحسینی، موسسه نوآوری زیست پزشکی تراساکی؛ جینفنگ لی و پیتر جی. برک، یو سی اروین. Leo Huan-Hsuan Hsu، Xiaochuan Dai و Xiaocheng Jiang، دانشگاه تافتس. Zheyuan Liu، موسسه فناوری ماساچوست؛ و Xingcai Zhang، دانشگاه هاروارد.
این کار توسط مؤسسه ملی بهداشت (1 R35 GM138250 01) پشتیبانی شد.