Новый микрочип – прямая связь электроники и живых клеток
Специалисты межуниверситетского центра микроэлектроники IMEC (г. Лувен, Бельгия) создали уникальный микрочип, поверхность которого покрыта микроскопическими игольчатыми структурами, что обеспечивает прямое взаимодействие электронных устройств и живых клеток. Новый чип является пригодным для массового производства и простым в использовании устройством для проведения электрофизиологических исследований, например, изучения нормального функционирования клеток мозга и его нарушений.
На снимке – трехдневная культура нейронов коры головного мозга на поверхности микроигольчатого чипа.
Каждая микроиголка является местом плотного контакта с поверхностью клетки. Встроенный внутрь такой структуры электрод может с высокой точностью в режиме реального времени регистрировать либо стимулировать электрическую активность индивидуальной клетки.
Клетки, обладающие электрогенными свойствами – такие как кардиомиоциты и нейроны – используют электрические сигналы для взаимодействия друг с другом. Знание параметров электрической активности этих клеток необходимо для понимания принципов взаимодействия, нарушения которого лежат в основе развития таких заболеваний, как болезни Альцгеймера и Паркинсона. Кроме того, мониторинг электрической активности можно использовать для оценки эффективности препаратов для лечения заболеваний сердца и других патологий.
Новый микроигольчатый чип является идеальным инструментом для изучения межклеточных взаимодействий. Используемые при его изготовлении электроды по размеру меньше, чем клетки, и представляют собой тончайшие оксидированные металлические (например, золотые или изготовленные из нитрида титана) стержни с неокисленной электропроводной рабочей частью. При контакте с поверхностью чипа мембрана клетки плотно охватывает игольчатые структуры, обеспечивая хороший контакт с электродом. Такой плотный контакт снижает отношение сигнал/шум, обеспечивая возможность стимуляции индивидуальной клетки и точной регистрации генерируемых клетками электрических сигналов.
Для воплощения своей идеи в реальность разработчикам пришлось решить несколько сложных задач: обеспечить жизнеспособность находящихся на поверхности чипа клеток, возможность работы электронного устройства в культуральной среде и максимально плотный контакт между мембраной клетки и поверхностью электрода, а также направить рост клеток таким образом, чтобы тело клетки находилось точно на верхушке индивидуального электрода.
По словам Криса Ферштрекена (Kris Verstreken), руководителя отделения био-наноэлектроники IMEC, на сегодняшний день о функционировании мозга известно совсем немного. Каким образом формируются наши эмоции? Как сохраняются воспоминания? Что вызывает развитие таких заболеваний как болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона? Большинство процессов, протекающих в нашем мозге, остаются для нас загадкой. Нейроны являются очень пластичными клетками, постоянно формирующими новые межклеточные контакты, одновременно разрывая или восстанавливая старые. Однако неизвестно, как они это делают, и что происходит при обучении и развитии.
В перспективе мы сможем использовать знания, полученные в лабораторных экспериментах с использованием нового микрочипа, для диагностики заболеваний и, возможно, даже для их лечения путем стимуляции клеток или формирования новых межклеточных контактов вместо разрушившихся, например, при инсульте.
Евгения Рябцева, Александр Чубенко
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам IMEC: Unique Micronail Chip Makes Electronics and Bio Cells Communicate.
30.11.2009