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加速神經(jīng)疾病新藥篩選,納米級新工具有何神通?

摘要:在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域,研究人員可以通過測量離子通道電流和細(xì)胞內(nèi)電位的變化來揭示神經(jīng)元的健康程度、活性以及對藥物反應(yīng),這一細(xì)節(jié)信息是由于細(xì)胞內(nèi)部和外部之間的離子濃度的差異而體現(xiàn)的。

  近日,一支來自加州大學(xué)圣地亞哥分校(UCSD)工程學(xué)院的團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種能夠精確記錄神經(jīng)元細(xì)胞電生理活動的納米導(dǎo)線。這一新型納米材料技術(shù)有望可以成為篩選神經(jīng)疾病藥物的平臺,幫助研究人員更好地了解單個細(xì)胞在大面積神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)中的通信作用。該研究成果以論文形式發(fā)表在了2017年4月6日的美國化學(xué)學(xué)會(AmericanChemicalSociety)官方學(xué)術(shù)期刊《NanoLetters》上。

  該論文通訊作者、加州大學(xué)圣地亞哥分校雅各布工學(xué)院(UCSDJacobsSchoolofEngineering)電氣工程教授ShadiDayeh博士表示:“我們正在開發(fā)新型研究工具,使我們能夠深入了解大腦如何運(yùn)作。”

  該論文研究作者之一、SanfordBurnhamPrebys醫(yī)學(xué)研究所化學(xué)基因組學(xué)中心的細(xì)胞生物學(xué)主任AnneBang博士也評論說:“我們設(shè)想這種納米線技術(shù)可用于干細(xì)胞來源的腦模型,以確定最有效的神經(jīng)疾病藥物。”

  在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域,研究人員可以通過測量離子通道電流和細(xì)胞內(nèi)電位的變化來揭示神經(jīng)元的健康程度、活性以及對藥物反應(yīng),這一細(xì)節(jié)信息是由于細(xì)胞內(nèi)部和外部之間的離子濃度的差異而體現(xiàn)的。這一先進(jìn)的測量技術(shù)對極微小電位變化敏感,并可以提供具有高信噪比的讀數(shù)。然而,這種方法卻是破壞性的:因?yàn)樵摷夹g(shù)操作破壞細(xì)胞膜,最終扼殺了細(xì)胞。它也局限于每次分析單個細(xì)胞,使得研究大型神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)不切實(shí)際的,而恰恰這些神經(jīng)元是以大型神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)形式自然排列在體內(nèi)的。

  ShadiDayeh博士說道:“現(xiàn)有的高靈敏度測量技術(shù)不能在體外培養(yǎng)的2維和3維組織樣結(jié)構(gòu)中擴(kuò)展。我們需要可以測量神經(jīng)元細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)中快速且微小變化的納米技術(shù),這一方向的發(fā)展可以加速中樞和周圍神經(jīng)系統(tǒng)疾病的藥物開發(fā)。”

  ShadiDayeh博士實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的納米導(dǎo)線技術(shù)是非破壞性的,可以同時(shí)測量多個神經(jīng)元的潛在變化,特別是也具備了目前現(xiàn)有技術(shù)水平所達(dá)到的高靈敏度和分辨率。該器件由硅納米導(dǎo)線陣列密集堆積一個小芯片上,同時(shí)其上面也具有涂覆有二氧化硅的鎳電極引線。納米導(dǎo)線戳入細(xì)胞內(nèi)但卻不會損壞細(xì)胞,它們可以足夠敏感地測量低達(dá)幾毫伏極微小的潛在變化。研究人員使用這種納米導(dǎo)線記錄了從小鼠體內(nèi)分離或從人類誘導(dǎo)多能干細(xì)胞衍生的神經(jīng)元電生理活動。這些神經(jīng)元在體外與納米導(dǎo)線陣列相接觸,存活并持續(xù)運(yùn)作至少6周長的時(shí)間。

  該技術(shù)的另一個創(chuàng)新特征是可以隔離每個納米導(dǎo)線所測得的電信號。Dayeh博士說:“這一大特征在現(xiàn)有納米導(dǎo)線技術(shù)中并不常見。一般來說,現(xiàn)有技術(shù)中幾根電線有交集,你無法區(qū)分每條導(dǎo)線所獲得的信號。”為了克服這一障礙,研究人員發(fā)明了一種新的晶圓接合方法將硅納米導(dǎo)線熔合到鎳電極上。這一方法涉及稱為硅化的過程,其是將兩種固體(硅和另一種金屬)結(jié)合在一起而不熔化任何材料的反應(yīng)。這個過程防止鎳電極與相鄰電極引線發(fā)生液化、擴(kuò)散或短路??蒲腥藛T通常使用硅化物來與晶體管接觸,但這是第一次用來進(jìn)行圖案化晶片粘合。

  Dayeh博士指出,該技術(shù)需要進(jìn)一步優(yōu)化基于“器官芯片”(比如“大腦芯片”)上的藥物篩選途徑。他還表示,他的團(tuán)隊(duì)正在努力將該技術(shù)的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到“”心臟芯片“,進(jìn)行心臟疾病藥物篩選。

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