Ett team ledd av ingenjörer vid University of California San Diego har utvecklat nanotrådar som kan registrera nervcellers elektriska aktivitet i detalj. Den nya nanotrådsteknologin skulle en dag kunna fungera som en plattform för att screena läkemedel för neurologiska sjukdomar och skulle kunna göra det möjligt för forskare att bättre förstå hur enskilda celler kommunicerar i stora neuronala nätverk.

"Vi utvecklar verktyg som gör att vi kan gräva djupare i vetenskapen om hur hjärnan fungerar, sa Shadi Dayeh, en elektroteknikprofessor vid UC San Diego Jacobs School of Engineering och teamets ledande utredare.

"Vi föreställer oss att denna nanotrådsteknik kan användas på stamcellshärledda hjärnmodeller för att identifiera de mest effektiva läkemedlen för neurologiska sjukdomar, sa Anne Bang, chef för cellbiologi vid Conrad Prebys Center for Chemical Genomics vid Sanford Burnham Medical Research Institute.

Projektet var ett samarbete mellan Dayeh och Bang labs, neurobiologer vid UC San Diego, och forskare vid Nanyang Technological University i Singapore och Sandia National Laboratories. Forskarna publicerade sitt arbete 10 april in Nanobokstäver .

Forskare kan avslöja detaljer om en neurons hälsa, aktivitet och svar på läkemedel genom att mäta jonkanalströmmar och förändringar i dess intracellulära potential, vilket beror på skillnaden i jonkoncentration mellan insidan och utsidan av cellen. Den senaste mättekniken är känslig för små potentiella förändringar och ger avläsningar med höga signal-brus-förhållanden. Dock, denna metod är destruktiv – den kan bryta cellmembranet och så småningom döda cellen. Det är också begränsat till att endast analysera en cell åt gången, vilket gör det opraktiskt för att studera stora nätverk av neuroner, som är hur de är naturligt ordnade i kroppen.

"Befintliga mättekniker med hög känslighet är inte skalbara till 2D- och 3D-vävnadsliknande strukturer odlade in vitro, Dayeh sa. "Utvecklingen av en nanoskalateknologi som kan mäta snabba och små potentiella förändringar i neuronala cellulära nätverk kan påskynda läkemedelsutvecklingen för sjukdomar i centrala och perifera nervsystem."

Nanotrådsteknologin som utvecklats i Dayehs laboratorium är oförstörande och kan samtidigt mäta potentiella förändringar i flera neuroner - med den höga känslighet och upplösning som uppnås med den nuvarande teknikens ståndpunkt.

Enheten består av en rad kiselnanotrådar tätt packade på ett litet chip mönstrat med nickelelektrodkablar som är belagda med kiseldioxid. Nanotrådarna sticker in i celler utan att skada dem och är känsliga nog att mäta små potentiella förändringar som är en bråkdel av eller några millivolt i storlek. Forskare använde nanotrådarna för att registrera den elektriska aktiviteten hos neuroner som isolerades från möss och härrörde från mänskliga inducerade pluripotenta stamceller. Dessa neuroner överlevde och fortsatte att fungera i minst sex veckor medan de var i kontakt med nanotrådsuppsättningen in vitro .

En annan innovativ egenskap hos denna teknik är att den kan isolera den elektriska signalen som mäts av varje enskild nanotråd. "Detta är ovanligt i befintliga nanotrådsteknologier, där flera ledningar är elektriskt kortslutna tillsammans och du inte kan skilja signalen från varje enskild ledning, sa Dayeh.

För att övervinna detta hinder, forskare uppfann en ny wafer bonding-metod för att smälta kiselnanotrådarna till nickelelektroderna. Deras tillvägagångssätt involverade en process som kallas silicidering, vilket är en reaktion som binder två fasta ämnen (kisel och en annan metall) tillsammans utan att smälta något av materialen. Denna process förhindrar att nickelelektroderna flyter, sprida ut och kortsluta intilliggande elektrodledningar.

Silicidation används vanligtvis för att skapa kontakter till transistorer, men det här är första gången den används för att göra mönstrad wafer bonding, sa Dayeh. "Och eftersom den här processen används vid tillverkning av halvledarenheter, vi kan integrera versioner av dessa nanotrådar med CMOS-elektronik." Dayehs laboratorium har flera pågående patentansökningar för denna teknologi.

Dayeh noterade att tekniken behöver ytterligare optimeras för hjärnan-på-chip drogscreening. Hans team arbetar för att utvidga tillämpningen av teknologin till screening av hjärt-på-chip läkemedel för hjärtsjukdomar och in vivo hjärnkartläggning, som fortfarande är flera år bort på grund av betydande tekniska och biologiska utmaningar som forskarna behöver övervinna. "Vårt slutmål är att översätta denna teknik till en enhet som kan implanteras i hjärnan."