Microscopische sondes ontwikkeld aan de Rice University hebben het proces van het meten van elektrische activiteit in individuele cellen van kleine levende dieren vereenvoudigd. De techniek maakt het mogelijk om een ​​enkel dier, zoals een worm, keer op keer te testen en zou een revolutie teweeg kunnen brengen in het verzamelen van gegevens voor ziektekarakterisering en geneesmiddelinteracties.

Het Rice-lab van elektro- en computeringenieur Jacob Robinson heeft "nanoschaal gesuspendeerde elektrode-arrays" - ook wel nano-SPEAR's genoemd - uitgevonden om onderzoekers toegang te geven tot elektrofysiologische signalen van de cellen van kleine dieren zonder ze te verwonden. Nano-SPEAR's vervangen glazen pipetelektroden die bij elk gebruik met de hand moeten worden uitgelijnd."

Een van de experimentele knelpunten bij het bestuderen van synaptisch gedrag en degeneratieve ziekten die de synaps beïnvloeden, is het uitvoeren van elektrische metingen aan die synapsen, "Zei Robinson. "We gingen grote groepen dieren bestuderen onder veel verschillende omstandigheden om medicijnen te screenen of om verschillende genetische factoren te testen die verband houden met fouten in signalering bij die synapsen."

Het onderzoek wordt deze week gedetailleerd in Natuur Nanotechnologie .

Robinsons vroege werk bij Rice was gericht op hoogwaardige, high-throughput elektrische karakterisering van individuele cellen. Het nieuwe platform past het concept aan om de oppervlaktecellen van nematoden te onderzoeken, wormen die 80 procent van alle dieren op aarde uitmaken.

Het meeste van wat bekend is over spieractiviteit en synaptische transmissie in de wormen komt van de weinige onderzoeken die met succes handmatig uitgelijnde glazen pipetten gebruikten om elektrische activiteit van individuele cellen te meten, zei Robinson. Echter, deze patch-clamptechniek vereist tijdrovende en invasieve chirurgie die een negatieve invloed kan hebben op de gegevens die worden verzameld van kleine proefdieren.

Het door het team van Robinson ontwikkelde platform werkt als een tolhuisje voor reizende wormen. Terwijl elk dier door een smal kanaal gaat, het wordt tijdelijk geïmmobiliseerd en tegen een of meer nano-SPEARS gedrukt die de lichaamswandspier binnendringen en elektrische activiteit van nabijgelegen cellen registreren. Dat dier wordt dan vrijgelaten, de volgende wordt vastgelegd en gemeten, enzovoort. Robinson zei dat het apparaat veel sneller te gebruiken bleek te zijn dan traditionele elektrofysiologische celmeettechnieken.

De nano-SPEAR's worden gemaakt met behulp van standaard dunnefilmafzettingsprocedures en elektronenstraal- of fotolithografie en kunnen worden gemaakt van minder dan 200 nanometer tot meer dan 5 micron dik, afhankelijk van de grootte van het te testen dier. Omdat de nano-SPEAR's op silicium of glas kunnen worden vervaardigd, de techniek is gemakkelijk te combineren met fluorescentiemicroscopie, zei Robinson.

De dieren die geschikt zijn voor sonderen met een nano-SPEER kunnen wel enkele millimeters groot zijn, zoals hydra, neven van de kwal en het onderwerp van een aanstaande studie. Maar nematoden die bekend staan ​​als Caenorhabditis elegans waren om verschillende redenen praktisch:Robinson zei, ze zijn klein genoeg om compatibel te zijn met microfluïdische apparaten en nanodraadelektroden. Tweede, er waren er veel in de hal in het lab van Rice-collega Weiwei Zhong, die nematoden als transparant bestudeert, gemakkelijk te manipuleren modellen voor signaalroutes die alle dieren gemeen hebben.

"Vroeger schuwde ik het meten van elektrofysiologie omdat de conventionele methode van patchklemmen zo technisch uitdagend is, " zei Zhong, een assistent-professor biochemie en celbiologie en co-auteur van het papier. "Slechts een paar afgestudeerde studenten of postdocs kunnen het. Met het apparaat van Jacob, zelfs een student kan elektrofysiologie meten."

"Dit sluit mooi aan bij de high-throughput fenotypering die ze doet, Robinson zei. „Ze kan locomotieffenotypes nu in verband brengen met activiteit bij de spiercellen. We denken dat dit nuttig zal zijn om degeneratieve ziekten rond neuromusculaire verbindingen te bestuderen."

In feite, de laboratoria zijn hiermee begonnen. "We gebruiken deze opstelling nu om wormen te profileren met neurodegeneratieve ziektemodellen zoals Parkinson en te screenen op medicijnen die de symptomen verminderen, "Zei Zhong. "Dit zou niet mogelijk zijn met de conventionele methode."

Eerste tests op C. elegans-modellen voor amyotrofische laterale sclerose en de ziekte van Parkinson onthulden voor het eerst duidelijke verschillen in elektrofysiologische reacties tussen de twee, meldden de onderzoekers. Het testen van de werkzaamheid van medicijnen zal worden geholpen door de nieuwe mogelijkheid om kleine dieren gedurende lange perioden te bestuderen. "Wat kunnen we doen, Voor de eerste keer, is kijken naar elektrische activiteit over een lange periode en interessante gedragspatronen ontdekken, ' zei Robinson.

Sommige wormen werden tot een uur lang bestudeerd, en anderen werden op meerdere dagen getest, zei hoofdauteur Daniel Gonzales, een afgestudeerde Rice-student in het laboratorium van Robinson die de leiding nam over het hoeden van nematoden via de microfluïdische apparaten.

"Het was op de een of andere manier gemakkelijker dan werken met geïsoleerde cellen, omdat de wormen groter en redelijk stevig zijn, ' zei Gonzales. 'Met cellen, als er te veel druk is, zij gaan dood. Als ze een muur raken, zij gaan dood. Maar wormen zijn echt stevig, dus het was gewoon een kwestie van ze tegen de elektroden te krijgen en ze daar te houden."

Het team bouwde microfluïdische arrays met meerdere kanalen waarmee veel nematoden tegelijk konden worden getest. In vergelijking met patch-klemtechnieken die laboratoria beperken tot het bestuderen van ongeveer één dier per uur, Robinson zei dat zijn team maar liefst 16 nematoden per uur mat.

"Omdat dit een op silicium gebaseerde technologie is, het maken van arrays en het produceren van opnamekamers in grote aantallen wordt een reële mogelijkheid, " hij zei.