Созданы беспроводные антенны для анализа клеточных сигналов с помощью света

Ученые поставили перед собой задачу разработать биосенсорное устройство, которое не требует проводов или усилителей. Предполагалось, что такой прибор будет удобнее для биологов, не имеющих опыта работы с электронным оборудованием. Команда изучала возможность создания устройства, преобразующего электрические сигналы в оптические, с последующим анализом последних с помощью оптического микроскопа, доступного в любой биологической лаборатории. Первоначально для создания наноразмерных преобразователей применялся полимер PEDOT:PSS с включением мельчайших фрагментов золотой нити. Но рассеяние света наночастицами золота, инициируемое и модулируемое полимером, не соответствовало теоретической модели. Неожиданно для исследователей, удаление золота привело к большему соответствию результатов модели.

Оказалось, что сигналы исходили не от золота, а от самого полимера. Это открытие стало основой для разработки органических электрорассеивающих антенн OCEAN. В них интегрировали PEDOT:PSS. Этот полимер, при наличии поблизости электрической активности, притягивает или отталкивает положительные ионы из окружающей жидкой среды. Это приводит к изменению его химической конфигурации и электронной структуры, что, в свою очередь, влияет на показатель преломления — оптическое свойство, определяющее характер рассеяния света.

При освещении антенны интенсивность рассеянного света изменяется пропорционально электрическому сигналу, присутствующему в жидкости. Используя массив, состоящий из тысяч или даже миллионов микроскопических антенн (ширина каждой составляет всего 1 микрометр), исследователи могут регистрировать рассеянный свет с помощью оптического микроскопа и измерять электрические сигналы клеток с высоким разрешением. Поскольку каждая антенна функционирует как независимый датчик, необходимость в суммировании сигналов от нескольких антенн для мониторинга электрической активности отпадает. Это позволяет регистрировать сигналы с микрометровым разрешением.

Массивы OCEAN, предназначенные для исследований in vitro, разработаны так, чтобы клетки культивировались непосредственно на них и помещались под оптический микроскоп для анализа. Процесс начинается с использования стеклянной подложки, на которую последовательно наносятся слои проводящего и изолирующего материалов, каждый из которых оптически прозрачный. Затем с помощью сфокусированного ионного луча в верхних слоях устройства формируются сотни наноразмерных отверстий. Чип погружается в раствор, содержащий прекурсоры для синтеза полимера. Под воздействием электрического тока этот материал перемещается в наноотверстия, формируя грибовидные антенны, растущие снизу вверх.

Все это происходит быстро, поэтому технологию можно использовать для создания чипов, содержащих миллионы антенн. Исследователи оптимизировали их размеры, отрегулировали параметры, и в результате достигли достаточно высокой чувствительности для мониторинга сигналов с напряжением всего 2,5 милливольта. Сигналы, посылаемые нейронами для общения, обычно составляют около 100 милливольт.

OCEAN также реагировали на изменения всего за несколько миллисекунд, что позволяло им регистрировать электрические сигналы с быстрой кинетикой. Исследователи планируются протестировать устройства с реальными клеточными культурами. Они также хотят изменить форму антенн, чтобы те могли проникать через клеточные мембраны для более точного обнаружения сигнала.