En konstnärs återgivning av Cell Rover, en intracellulär antenn för att utforska och förstärka cellens inre värld. Kredit:Irakli Zurabishvili för Deblina Sarkar, med modeller av IronWeber och Lauri Purhonen.
Forskare vid MIT Media Lab har designat en miniatyrantenn som kan fungera trådlöst inuti en levande cell, vilket öppnar upp möjligheter inom medicinsk diagnostik och behandling och andra vetenskapliga processer på grund av antennens potential för att övervaka och till och med styra cellulär aktivitet i realtid.
"Den mest spännande aspekten av denna forskning är att vi kan skapa cyborgs i cellulär skala", säger Deblina Sarkar, biträdande professor och AT&T Career Development Chair vid MIT Media Lab och chef för Nano-Cybernetic Biotrek Lab. "Vi kan smälta samman informationsteknologins mångsidighet på cellnivå, biologins byggstenar."
En artikel som beskriver forskningen publicerades idag i tidskriften Nature Communications .
Tekniken, kallad Cell Rover av forskarna, representerar den första demonstrationen av en antenn som kan fungera inuti en cell och är kompatibel med biologiska 3D-system. Typiska bioelektroniska gränssnitt, säger Sarkar, är millimeter eller till och med centimeter stora och är inte bara mycket invasiva utan ger inte heller den upplösning som behövs för att interagera med enstaka celler trådlöst - särskilt med tanke på att förändringar till ens en cell kan påverka en hel organism.
Antennen som utvecklats av Sarkars team är mycket mindre än en cell. Faktum är att i teamets forskning med oocytceller representerade antennen mindre än 0,05 procent av cellvolymen, vilket placerade den långt under en storlek som skulle inkräkta på och skada cellen.
Att hitta ett sätt att bygga en antenn av den storleken för att fungera inuti en cell var en viktig utmaning.
Detta beror på att konventionella antenner måste vara jämförbara i storlek med våglängden på de elektromagnetiska vågorna de sänder och tar emot. Sådana våglängder är mycket stora - de representerar ljusets hastighet dividerat med vågfrekvensen. Samtidigt är det kontraproduktivt att öka frekvensen för att minska förhållandet och antennens storlek eftersom höga frekvenser producerar värmeskadande för levande vävnad.
Antennen som utvecklats av Media Lab-forskarna omvandlar elektromagnetiska vågor till akustiska vågor, vars våglängder är fem storleksordningar mindre – vilket representerar ljudets hastighet dividerat med vågfrekvensen – än de för de elektromagnetiska vågorna.
Denna omvandling från elektromagnetiska till akustiska vågor åstadkoms genom att tillverka miniatyrantennerna med material som kallas magnetostriktiva. När ett magnetiskt fält appliceras på antennen, driver och aktiverar den, riktar sig magnetiska domäner i det magnetostriktiva materialet in i fältet, vilket skapar spänningar i materialet, hur metallbitar som vävts in i ett tygstycke kan reagera på en stark magnet, vilket orsakar tyget att vrida sig.
När ett växelmagnetiskt fält appliceras på antennen är det den varierande töjningen och spänningen (trycket) som produceras i materialet som skapar de akustiska vågorna i antennen, säger Baju Joy, en student i Sarkars labb och huvudförfattare till detta arbete. "Vi har också utvecklat en ny strategi som använder ett olikformigt magnetfält för att introducera rovers i cellerna," tillägger Joy.
Konfigurerad på detta sätt kan antennen användas för att utforska grunderna för biologi när naturliga processer inträffar, säger Sarkar. Istället för att förstöra celler för att undersöka deras cytoplasma som vanligtvis görs, kunde Cell Rover övervaka utvecklingen eller delningen av en cell, detektera olika kemikalier och biomolekyler som enzymer eller fysiska förändringar som i celltrycket – allt i realtid och in vivo.
Material som polymerer som genomgår förändring i massa eller stress som svar på kemiska eller biomolekylära förändringar - som redan används i medicinsk och annan forskning - kan integreras med driften av Cell Rover, enligt forskarna. En sådan integration skulle kunna ge insikter som inte ges av de nuvarande observationsteknikerna som involverar förstörelse av cellen.
Med sådana förmågor kan Cell Rovers vara värdefulla inom cancer och neurodegenerativ sjukdomsforskning, till exempel. Som Sarkar förklarar kan tekniken användas för att upptäcka och övervaka biokemiska och elektriska förändringar associerade med sjukdomen över dess progression i enskilda celler. Tillämpad inom området för läkemedelsupptäckt kan tekniken belysa levande cellers reaktioner på olika läkemedel.
På grund av sofistikeringen och skalan hos nanoelektroniska enheter som transistorer och switchar - "som representerar fem decennier av enorma framsteg inom informationsteknologin", säger Sarkar - skulle Cell Rover, med sin miniantenn, kunna utföra funktioner som sträcker sig hela vägen till intracellulär beräkning och informationsbehandling för autonom utforskning och modulering av cellen. Forskningen visade att flera Cell Rovers kan engageras, även inom en enda cell, för att kommunicera sinsemellan och utanför cellerna.
"Cell Rover är ett innovativt koncept eftersom den kan bädda in avkännings-, kommunikations- och informationsteknologi i en levande cell", säger Anantha P. Chandrakasan, dekanus för MIT School of Engineering och Vannevar Bush professor i elektroteknik och datavetenskap. "Detta öppnar för oöverträffade möjligheter för extremt exakt diagnostik, terapi och läkemedelsupptäckt, samt skapar en ny riktning i skärningspunkten mellan biologi och elektroniska enheter."
Forskarna döpte sin intracellulära antennteknologi till Cell Rover för att, som en Mars-rovers, åberopa dess uppdrag att utforska en ny gräns.
"Du kan tänka på Cell Rover", säger Sarkar, "som att vara på en expedition och utforska cellens inre värld." + Utforska vidare
Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.
