Лаборатория Райса инженера-электрика и компьютерного инженера Джейкоба Робинсона изобрела «наноразмерные подвесные электродные матрицы» – также известные как нано-КОПЬИ – чтобы дать исследователям доступ к электрофизиологическим сигналам от клеток мелких животных, не повреждая их. Nano-SPEAR заменяют стеклянные электроды пипеток, которые необходимо выравнивать вручную каждый раз при их использовании."
Одним из экспериментальных узких мест в изучении синаптического поведения и дегенеративных заболеваний, которые влияют на синапс, является выполнение электрических измерений в этих синапсах », – сказал Робинсон. "Мы намеревались изучить большие группы животных в самых разных условиях, чтобы проверить лекарства или проверить различные генетические факторы, которые связаны с ошибками в передаче сигналов в этих синапсах."
Исследование подробно описано на этой неделе в Nature Nanotechnology.
Ранняя работа Робинсона в Rice была сосредоточена на высококачественном и высокопроизводительном определении электрических характеристик отдельных ячеек. Новая платформа адаптирует концепцию исследования поверхностных клеток нематод, червей, составляющих 80 процентов всех животных на Земле.
По словам Робинсона, большая часть того, что известно о мышечной активности и синаптической передаче у червей, получено из нескольких исследований, в которых для измерения электрической активности отдельных клеток успешно использовались выровненные вручную стеклянные пипетки. Однако этот метод зажима пластыря требует трудоемкой и инвазивной хирургии, которая может негативно повлиять на данные, полученные от небольших подопытных животных.
Платформа, разработанная командой Робинсона, работает чем-то вроде будки для путешествующих червей. Когда каждое животное проходит через узкий канал, оно временно обездвиживается и прижимается к одному или нескольким нано-КОПЬЯм, которые проникают в мышцу стенки его тела и регистрируют электрическую активность близлежащих клеток. Затем это животное выпускают, следующего ловят и измеряют и т. Д. Робинсон сказал, что устройство оказалось намного быстрее в использовании, чем традиционные электрофизиологические методы измерения ячеек.
Нано-SPEAR создаются с использованием стандартных процедур осаждения тонких пленок и электронно-лучевой или фотолитографии, и их толщина может составлять от менее 200 нанометров до более 5 микрон, в зависимости от размера тестируемого животного.
По словам Робинсона, поскольку нано-SPEAR можно изготавливать как на силиконе, так и на стекле, этот метод легко сочетается с флуоресцентной микроскопией.
Животные, подходящие для зондирования с помощью нано-КОПЬЯ, могут достигать размеров нескольких миллиметров, например гидры, родственники медуз и объекты предстоящего исследования. Но нематоды, известные как Caenorhabditis elegans, были практичными по нескольким причинам: во-первых, по словам Робинсона, они достаточно малы, чтобы быть совместимыми с микрофлюидными устройствами и электродами из нанопроволоки. Во-вторых, их было много в коридоре лаборатории коллеги Райса Вэйвэя Чжунга, который изучает нематод как прозрачные, легко поддающиеся манипуляции модели сигнальных путей, общих для всех животных.
«Раньше я избегал измерения электрофизиологии, потому что традиционный метод зажима пластыря технически сложен», – сказал Чжун, доцент кафедры биохимии и клеточной биологии и соавтор статьи. "Только несколько аспирантов или постдоков могут это сделать. С помощью устройства Джейкоба даже студент бакалавриата может измерить электрофизиологию."
«Это хорошо сочетается с тем высокопроизводительным фенотипированием, которое она делает», – сказал Робинсон. "Теперь она может соотносить локомотивные фенотипы с активностью мышечных клеток. Мы считаем, что это будет полезно для изучения дегенеративных заболеваний, связанных с нервно-мышечными соединениями."
Фактически, лаборатории начали это делать. «Сейчас мы используем эту установку для профилирования червей с моделями нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Паркинсона, и скрининга лекарств, которые уменьшают симптомы», – сказал Чжун. "Это было бы невозможно с помощью обычного метода."
Начальные тесты на C. Исследователи сообщили, что модели elegans бокового амиотрофического склероза и болезни Паркинсона впервые выявили четкие различия в электрофизиологических реакциях между ними. Проверке эффективности лекарств поможет новая возможность изучать мелких животных в течение длительного времени. «Что мы можем сделать впервые, так это посмотреть на электрическую активность в течение длительного периода времени и обнаружить интересные модели поведения», – сказал Робинсон.
По словам ведущего автора Дэниела Гонсалеса, аспиранта Райса в лаборатории Робинсона, который взял на себя ответственность за разведение нематод с помощью микрофлюидных устройств, некоторые черви изучались в течение часа, а другие – в течение нескольких дней.
«Это было в некотором роде проще, чем работать с изолированными клетками, потому что черви больше и довольно прочные», – сказал Гонсалес. "С клетками, если будет слишком много давления, они умирают.
Если они ударяются о стену, они умирают. Но черви действительно крепкие, поэтому оставалось только поднести их к электродам и удержать там."
Команда построила микрожидкостные массивы с несколькими каналами, которые позволили тестировать сразу несколько нематод.
По сравнению с методами фиксации заплат, которые ограничивают лаборатории изучением примерно одного животного в час, Робинсон сказал, что его команда измерила до 16 нематод в час.
«Поскольку это технология на основе кремния, изготовление массивов и производство записывающих камер в большом количестве становится реальной возможностью», – сказал он.