Een team onder leiding van ingenieurs van de University of California San Diego heeft nanodraden ontwikkeld die de elektrische activiteit van neuronen tot in detail kunnen registreren. De nieuwe nanodraadtechnologie zou ooit kunnen dienen als een platform om medicijnen te screenen op neurologische ziekten en zou onderzoekers in staat kunnen stellen beter te begrijpen hoe afzonderlijke cellen communiceren in grote neuronale netwerken.

"We ontwikkelen tools waarmee we dieper kunnen graven in de wetenschap van hoe de hersenen werken, " zei Shadi Dayeh, een professor elektrotechniek aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering en de hoofdonderzoeker van het team.

"We stellen ons voor dat deze nanodraadtechnologie kan worden gebruikt op van stamcellen afgeleide hersenmodellen om de meest effectieve medicijnen voor neurologische ziekten te identificeren, " zei Anne Bang, directeur celbiologie bij het Conrad Prebys Center for Chemical Genomics van het Sanford Burnham Medical Research Institute.

Het project was een samenwerking tussen de laboratoria van Dayeh en Bang, neurobiologen aan UC San Diego, en onderzoekers van de Nanyang Technological University in Singapore en Sandia National Laboratories. De onderzoekers publiceerden hun werk op 10 april in Nano-letters .

Onderzoekers kunnen details ontdekken over de gezondheid van een neuron, activiteit en reactie op medicijnen door ionkanaalstromen en veranderingen in het intracellulaire potentieel te meten, wat te wijten is aan het verschil in ionenconcentratie tussen de binnenkant en de buitenkant van de cel. De state-of-the-art meettechniek is gevoelig voor kleine potentiaalveranderingen en levert metingen met hoge signaal-ruisverhoudingen. Echter, deze methode is destructief - het kan het celmembraan breken en uiteindelijk de cel doden. Het is ook beperkt tot het analyseren van slechts één cel tegelijk, waardoor het onpraktisch is voor het bestuderen van grote netwerken van neuronen, dat is hoe ze van nature in het lichaam zijn gerangschikt.

"Bestaande hooggevoelige meettechnieken zijn niet schaalbaar tot 2D- en 3D-weefselachtige structuren die in vitro zijn gekweekt, " zei Dayeh. "De ontwikkeling van een technologie op nanoschaal die snelle en minieme potentiële veranderingen in neuronale cellulaire netwerken kan meten, zou de ontwikkeling van geneesmiddelen voor ziekten van het centrale en perifere zenuwstelsel kunnen versnellen."

De nanodraadtechnologie die in het laboratorium van Dayeh is ontwikkeld, is niet-destructief en kan gelijktijdig potentiële veranderingen in meerdere neuronen meten - met de hoge gevoeligheid en resolutie die door de huidige stand van de techniek worden bereikt.

Het apparaat bestaat uit een reeks silicium nanodraden die dicht op elkaar zijn gepakt op een kleine chip met een patroon van nikkelelektrodedraden die zijn gecoat met silica. De nanodraden prikken in cellen zonder ze te beschadigen en zijn gevoelig genoeg om kleine potentiële veranderingen van een fractie van of een paar millivolt te meten. Onderzoekers gebruikten de nanodraden om de elektrische activiteit vast te leggen van neuronen die waren geïsoleerd van muizen en afkomstig waren van door mensen geïnduceerde pluripotente stamcellen. Deze neuronen overleefden en bleven gedurende ten minste zes weken functioneren terwijl ze verbonden waren met de nanodraadarray in vitro .

Een ander innovatief kenmerk van deze technologie is dat het het elektrische signaal dat door elke afzonderlijke nanodraad wordt gemeten, kan isoleren. "Dit is ongebruikelijk in bestaande nanodraadtechnologieën, waar verschillende draden elektrisch kortgesloten zijn en u het signaal niet van elke afzonderlijke draad kunt onderscheiden, ' zei Dayeh.

Om deze hindernis te overwinnen, onderzoekers bedachten een nieuwe benadering voor het hechten van wafels om de siliciumnanodraden aan de nikkelelektroden te smelten. Hun aanpak omvatte een proces dat silicidatie wordt genoemd, dat is een reactie die twee vaste stoffen (silicium en een ander metaal) aan elkaar bindt zonder een van beide materialen te smelten. Dit proces voorkomt dat de nikkelelektroden vloeibaar worden, spreiden en kortsluiten van aangrenzende elektrodedraden.

Silicidatie wordt meestal gebruikt om contacten te leggen met transistors, maar dit is de eerste keer dat het wordt gebruikt om wafer bonding met patronen te doen, zei Dayeh. "En aangezien dit proces wordt gebruikt bij de fabricage van halfgeleiderapparaten, we kunnen versies van deze nanodraden integreren met CMOS-elektronica." Het laboratorium van Dayeh heeft verschillende lopende octrooiaanvragen voor deze technologie.

Dayeh merkte op dat de technologie verder moet worden geoptimaliseerd voor hersen-op-chip-drugscreening. Zijn team werkt aan de uitbreiding van de toepassing van de technologie tot hart-op-chip-geneesmiddelenscreening voor hartziekten en in vivo hersenen in kaart brengen, die nog enkele jaren verwijderd is vanwege aanzienlijke technologische en biologische uitdagingen die de onderzoekers moeten overwinnen. "Ons uiteindelijke doel is om deze technologie te vertalen naar een apparaat dat in de hersenen kan worden geïmplanteerd."