Mikroskopiska sonder som utvecklats vid Rice University har förenklat processen att mäta elektrisk aktivitet i enskilda celler hos små levande djur. Tekniken gör att ett enda djur som en mask kan testas om och om igen och kan revolutionera datainsamling för sjukdomskarakterisering och läkemedelsinteraktioner.

Rislabbet för el- och datoringenjör Jacob Robinson har uppfunnit "nanoskala suspenderade elektrodarrayer"-nano-SPEAR-för att ge forskare tillgång till elektrofysiologiska signaler från celler från små djur utan att skada dem. Nano-SPEAR ersätter glaspipettelektroder som måste justeras för hand varje gång de används. "

En av de experimentella flaskhalsarna för att studera synaptiskt beteende och degenerativa sjukdomar som påverkar synapsen är att utföra elektriska mätningar vid dessa synapser, "Robinson sa." Vi bestämde oss för att studera stora grupper av djur under många olika förhållanden för att screena droger eller testa olika genetiska faktorer som relaterar till fel vid signalering vid dessa synapser. "

Forskningen är detaljerad denna vecka i Naturnanoteknik .

Robinsons tidiga arbete på Rice fokuserade på högkvalitativa, hög genomströmning elektrisk karakterisering av enskilda celler. Den nya plattformen anpassar konceptet för att undersöka ytcellerna hos nematoder, maskar som utgör 80 procent av alla djur på jorden.

Det mesta som är känt om muskelaktivitet och synaptisk överföring i maskarna kommer från de få studier som framgångsrikt använde manuellt anpassade glaspipetter för att mäta elektrisk aktivitet från enskilda celler, Sa Robinson. Dock, denna patch clamp-teknik kräver tidskrävande och invasiv kirurgi som kan påverka data som samlas in från små forskningsdjur negativt.

Plattformen som utvecklats av Robinsons team fungerar ungefär som en avgiftsbod för resande maskar. När varje djur passerar genom en smal kanal, den är tillfälligt immobiliserad och pressad mot ett eller flera nano-SPEARS som tränger in i kroppens väggmuskel och registrerar elektrisk aktivitet från närliggande celler. Det djuret släpps sedan, nästa fångas upp och mäts, och så vidare. Robinson sa att enheten visade sig mycket snabbare att använda än traditionella elektrofysiologiska cellmätningstekniker.

Nano-SPEAR skapas med vanliga tunnfilmsdeponeringsprocedurer och elektronstråle eller fotolitografi och kan göras från mindre än 200 nanometer till mer än 5 mikron tjock, beroende på djurets storlek som ska testas. Eftersom nano-SPEAR kan tillverkas på antingen kisel eller glas, tekniken kombineras enkelt med fluorescensmikroskopi, Sa Robinson.

Djuren som är lämpliga för sondering med en nano-SPEAR kan vara så stora som flera millimeter, som hydra, kusiner till maneterna och ämnet för en kommande studie. Men nematoder som kallas Caenorhabditis elegans var praktiska av flera skäl:För det första, Robinson sa, de är tillräckligt små för att vara kompatibla med mikrofluidiska enheter och nanotrådselektroder. Andra, det var många av dem i korridoren på labbet av riskollegan Weiwei Zhong, som studerar nematoder som transparenta, enkelt manipulerade modeller för signalvägar som är gemensamma för alla djur.

"Jag drog mig tillbaka för att mäta elektrofysiologi eftersom den konventionella metoden för lappspänning är så tekniskt utmanande, sa Zhong, en biträdande professor i biokemi och cellbiologi och medförfattare till uppsatsen. "Bara några få doktorander eller postdoktor kan göra det. Med Jacobs enhet, även en grundstudent kan mäta elektrofysiologi. "

"Detta stämmer bra med den fenotypning med hög genomströmning hon gör, "Robinson sa." Hon kan nu korrelera lokfenomen med aktivitet vid muskelcellerna. Vi tror att det kommer att vara användbart för att studera degenerativa sjukdomar centrerade kring neuromuskulära korsningar. "

Faktiskt, labbet har börjat göra det. "Vi använder nu den här inställningen för att profilera maskar med neurodegenerativa sjukdomsmodeller som Parkinsons och skärm för läkemedel som minskar symtomen, "Sade Zhong." Detta skulle inte vara möjligt med den konventionella metoden. "

Inledande test på C. elegans -modeller för amyotrofisk lateral skleros och Parkinsons sjukdom avslöjade för första gången tydliga skillnader i elektrofysiologiska svar mellan de två, rapporterade forskarna. Att testa läkemedels effekt kommer att hjälpas av den nya förmågan att studera små djur under långa perioder. "Vad vi kan göra, för första gången, tittar på elektrisk aktivitet under en lång tid och upptäck intressanta beteendemönster, "Sa Robinson.

Vissa maskar studerades i upp till en timme, och andra testades på flera dagar, sa huvudförfattaren Daniel Gonzales, en doktorand i ris i Robinsons lab som tog hand om vallning nematoder genom mikrofluidiska enheter.

"Det var på något sätt enklare än att arbeta med isolerade celler eftersom maskarna är större och ganska robusta, "Sa Gonzales." Med celler, om det är för mycket tryck, de dör. Om de träffar en vägg, de dör. Men maskar är riktigt robusta, så det var bara att ställa dem mot elektroderna och hålla dem där. "

Teamet konstruerade mikrofluidiska matriser med flera kanaler som möjliggjorde testning av många nematoder samtidigt. I jämförelse med patch-clamping-tekniker som begränsar laboratorier till att studera cirka ett djur per timme, Robinson sa att hans team mätte upp till 16 nematoder per timme.

"Eftersom detta är en kiselbaserad teknik, att göra matriser och producera inspelningskammare i högt antal blir en verklig möjlighet, " han sa.