Ett team ledd av forskare vid Carnegie Mellon University har skapat en ny teknik som förbättrar forskarnas förmåga att kommunicera med neurala celler med hjälp av ljus. Tzahi Cohen-Karni, docent i biomedicinsk teknik och materialvetenskap och teknik, ledde ett team som syntetiserade tredimensionell fuzzy grafen på en nanotrådsmall för att skapa ett överlägset material för fototermiskt stimulerande celler. NW-mallad tredimensionell (3-D) fuzzy graphene (NT-3DFG) möjliggör optisk fjärrstimulering utan behov av genetisk modifiering och använder storleksordningar mindre energi än tillgängliga material, förhindra cellulär stress.

Grafen är rikligt, billig, och biokompatibel. Cohen-Karnis labb har arbetat med grafen i flera år, utveckla en teknik för att syntetisera materialet i 3D-topologier som han har kallat "fuzzy" grafen. Genom att odla tvådimensionella (2-D) grafenflingor utanför planet på en nanotrådstruktur av kisel, de kan skapa en 3D-struktur med optisk bredbandsabsorption och oöverträffad fototermisk effektivitet.

Dessa egenskaper gör den idealisk för cellulär elektrofysiologisk modulering med ljus genom den optokapacitiva effekten. Den optokapacitiva effekten förändrar cellmembranets kapacitans på grund av snabbt applicerade ljuspulser. NT-3DFG kan lätt tillverkas i upphängning, möjliggör studier av cellsignalering inom och mellan både 2-D cellsystem och 3-D, som mänskliga cellbaserade organoider.

System som dessa är inte bara avgörande för att förstå hur celler signalerar och interagerar med varandra, men har också stor potential för utveckling av nya, terapeutiska insatser. Utforskning av dessa möjligheter, dock, har begränsats av risken för cellulär stress som existerande optiska fjärrstyrningsteknologier presenterar. Användningen av NT-3DFG eliminerar denna risk genom att använda betydligt mindre energi, på en skala av 1-2 storleksordningar mindre. Dess biokompatibla yta är lätt att modifiera kemiskt, vilket gör den mångsidig för användning med olika celltyper och miljöer. Använder NT-3DFG, fototermiska stimuleringsbehandlingar kan utvecklas för motorisk rekrytering för att inducera muskelaktivering eller kan styra vävnadsutveckling i ett organoidsystem.

"Detta är ett enastående samarbete mellan experter från flera områden, inklusive neurovetenskap genom Pitt och UChicago, och fotonik och materialvetenskap genom UNC och CMU, ", sade Cohen-Karni. "Den utvecklade tekniken kommer att tillåta oss att interagera med antingen konstruerade vävnader eller med nerv- eller muskelvävnad in vivo. Detta kommer att tillåta oss att kontrollera och påverka vävnadsfunktionalitet med hjälp av ljus på distans med hög precision och låg nödvändig energi."

Ytterligare bidrag till projektet gjordes av Maysam Chamanzar, biträdande professor i el- och datateknik. Hans teams kärnexpertis inom fotonik och neuroteknik hjälpte till att utveckla de välbehövliga verktygen för att möjliggöra både karaktäriseringen av de unika hybrid-nanomaterialen, och att stimulera cellerna medan de optiskt registrerar deras aktivitet.

"Bredbandsabsorptionen av dessa 3D nanomaterial gjorde det möjligt för oss att använda ljus vid våglängder som kan penetrera djupt in i vävnaden för att på distans excitera nervceller. Denna metod kan användas i en hel skala av tillämpningar, från design av icke-invasiv terapi till grundläggande vetenskapliga studier, sa Chamanzar.

Teamets resultat är betydelsefulla både för vår förståelse av cellinteraktioner och utvecklingen av terapier som utnyttjar potentialen hos människokroppens egna celler. Nanostrukturer skapade med NT-3DFG kan ha stor inverkan på framtiden för mänsklig biologi och medicin.