با ادغام در یک دستگاه زیست‌حسگری بی‌سیم با وضوح بالا، این آنتن‌ها می‌توانند به پژوهشگران کمک کنند تا سیگنال‌های الکتریکی پیچیده تولیدشده توسط سلول‌ها را رمزگشایی کنند.
نظارت بر سیگنال‌های الکتریکی در سیستم‌های زیستی به دانشمندان این امکان را می‌دهد که نحوه ارتباط سلول‌ها را مطالعه کنند و بینش‌های ارزشمندی به دست آورند که می‌تواند بهبود تشخیص و درمان بیماری‌هایی مانند آریتمی و آلزایمر را تسهیل کند.
اما دستگاه‌هایی که سیگنال‌های الکتریکی را در کشت‌های سلولی و سایر محیط‌های مایع ثبت می‌کنند، اغلب از سیم‌ها برای اتصال هر الکترود به تقویت‌کننده مربوطه استفاده می‌کنند. از آنجا که تعداد محدودی سیم می‌تواند به دستگاه متصل شود، این امر تعداد نقاط ثبت را محدود کرده و مقدار اطلاعات قابل جمع‌آوری از سلول‌ها را کاهش می‌دهد.
اکنون، پژوهشگران MIT یک تکنیک زیست‌حسگری توسعه داده‌اند که نیاز به سیم‌ها را از بین می‌برد. در عوض، آنتن‌های بی‌سیم کوچک از نور برای شناسایی سیگنال‌های الکتریکی بسیار ضعیف استفاده می‌کنند.
تغییرات الکتریکی کوچک در محیط مایع اطراف، نحوه پراکندگی نور توسط آنتن‌ها را تغییر می‌دهد. با استفاده از مجموعه‌ای از آنتن‌های ریز، که هر یک عرضی برابر با یک‌صدم موی انسان دارند، پژوهشگران توانستند سیگنال‌های الکتریکی تبادل‌شده بین سلول‌ها را با وضوح فضایی بسیار بالا اندازه‌گیری کنند.
این دستگاه‌ها که به اندازه‌ای مقاوم هستند که می‌توانند بیش از ۱۰ ساعت به‌طور مداوم سیگنال‌ها را ثبت کنند، می‌توانند به زیست‌شناسان کمک کنند تا درک بهتری از نحوه ارتباط سلول‌ها در واکنش به تغییرات محیطی پیدا کنند. در بلندمدت، این بینش‌های علمی می‌توانند راه را برای پیشرفت در تشخیص، توسعه درمان‌های هدفمند و افزایش دقت در ارزیابی روش‌های درمانی جدید هموار کنند.
بنوآ دسبیول، پژوهشگر پیشین فوق‌دکتری در آزمایشگاه رسانه‌ای MIT و نویسنده اصلی مقاله مرتبط با این دستگاه‌ها، می‌گوید: «توانایی ثبت فعالیت الکتریکی سلول‌ها با توان عملیاتی بالا و وضوح زیاد همچنان یک چالش واقعی است. ما باید ایده‌های نوآورانه و روش‌های جایگزین را امتحان کنیم.»
او در نگارش این مقاله با جاد حنا، دانشجوی مهمان در آزمایشگاه رسانه‌ای MIT؛ رافائل اوسیلیو، دانشجوی مهمان پیشین؛ مارتا جِی. آی. ایراغی لکاردی، پژوهشگر فوق‌دکتری پیشین؛ یانگ یو، دانشمند در شرکت Raith America, Inc.؛ و دبلینا سرکار، نویسنده ارشد مقاله، استادیار توسعه شغلی AT&T در آزمایشگاه رسانه‌ای MIT و مرکز مهندسی نوروبیولوژیکی و سرپرست آزمایشگاه نانو-سایبرنتیک بیوترک همکاری داشته است. این پژوهش در مجله Science Advances منتشر شده است.
دبلینا سرکار می‌گوید: «بیوالکتریسیته برای عملکرد سلول‌ها و فرآیندهای حیاتی مختلف اساسی است. با این حال، ثبت دقیق این سیگنال‌های الکتریکی همواره یک چالش بوده است.»
او ادامه می‌دهد: «آنتن‌های الکترواُسکتر اورگانیک (OCEANs) که ما توسعه داده‌ایم، امکان ثبت بی‌سیم سیگنال‌های الکتریکی را با وضوح فضایی در حد میکرومتر از هزاران نقطه ثبت به‌طور هم‌زمان فراهم می‌کنند. این فناوری می‌تواند فرصت‌های بی‌سابقه‌ای برای درک زیست‌شناسی بنیادی، بررسی تغییرات سیگنال‌دهی در بیماری‌ها، و همچنین ارزیابی تأثیر درمان‌های مختلف جهت توسعه روش‌های درمانی نوین ایجاد کند.»
زیست‌حسگری با نور
پژوهشگران قصد داشتند دستگاهی برای زیست‌حسگری طراحی کنند که نیازی به سیم‌ها یا تقویت‌کننده‌ها نداشته باشد. چنین دستگاهی استفاده را برای زیست‌شناسانی که ممکن است با ابزارهای الکترونیکی آشنایی نداشته باشند، آسان‌تر می‌کند.
دسبیول می‌گوید: «ما این پرسش را مطرح کردیم که آیا می‌توانیم دستگاهی بسازیم که سیگنال‌های الکتریکی را به نور تبدیل کند و سپس با استفاده از یک میکروسکوپ نوری – همان نوعی که در هر آزمایشگاه زیست‌شناسی یافت می‌شود – این سیگنال‌ها را بررسی کنیم؟»
در ابتدا، آن‌ها از یک پلیمر ویژه به نام PEDOT:PSS برای طراحی مبدل‌های نانومقیاس استفاده کردند که شامل قطعات ریز رشته‌های طلایی بود. انتظار می‌رفت که نانوذرات طلا نور را پراکنده کنند – فرایندی که قرار بود توسط پلیمر تحریک و تنظیم شود. اما نتایج به‌دست‌آمده با مدل نظری آن‌ها مطابقت نداشت.
پلی پلی استایرن سولفونات یک ماده کامپوزیتی است که در آن PEDOT رسانایی الکتریکی را فراهم می کند و PSS به عنوان یک ضد یون برای متعادل کردن بار و بهبود حلالیت در آب و فرآیند پذیری PEDOT عمل می کند.
پژوهشگران تصمیم گرفتند طلا را از فرایند حذف کنند و، به شکل شگفت‌انگیزی، نتایج به مدل نظری بسیار نزدیک‌تر شد.
او می‌گوید: «مشخص شد که ما سیگنال‌ها را نه از طلا، بلکه از خود پلیمر اندازه‌گیری می‌کردیم. این یک نتیجه بسیار شگفت‌انگیز اما هیجان‌انگیز بود. ما بر اساس این کشف، آنتن‌های الکترواُسکتر ارگانیک را توسعه دادیم.»
آنتن‌های الکترواُسکتر ارگانیک (OCEANs) از پلیمر PEDOT:PSS ساخته شده‌اند. این پلیمر هنگام فعالیت الکتریکی در نزدیکی خود، یون‌های مثبت را از محیط مایع اطراف جذب یا دفع می‌کند. این فرآیند باعث تغییر در پیکربندی شیمیایی و ساختار الکترونیکی آن شده و ویژگی نوری‌ای به نام ضریب شکست را تغییر می‌دهد، که در نتیجه، نحوه پراکندگی نور را دگرگون می‌سازد.
زمانی که پژوهشگران نور را به آنتن می‌تابانند، شدت نور متناسب با سیگنال الکتریکی موجود در مایع تغییر می‌کند.
درخشش نوری که توسط آنتن‌های ریز توسعه‌یافته توسط پژوهشگران، به نام OCEANs، پراکنده می‌شود، در پاسخ به تغییر سیگنال‌های الکتریکی در محیط مایع اطراف آن‌ها تغییر می‌کند،
با داشتن هزاران یا حتی میلیون‌ها آنتن ریز در یک آرایه، که هر یک تنها 1 میکرومتر عرض دارند، پژوهشگران می‌توانند نور پراکنده‌شده را با استفاده از میکروسکوپ نوری ثبت کرده و سیگنال‌های الکتریکی سلول‌ها را با وضوح بالا اندازه‌گیری کنند.
از آنجا که هر آنتن یک حسگر مستقل است، پژوهشگران نیازی به جمع‌آوری داده‌های چندین آنتن برای نظارت بر سیگنال‌های الکتریکی ندارند، به همین دلیل آنتن‌های OCEAN قادرند سیگنال‌ها را با وضوح میکرومتری شناسایی کنند.
آرایه‌های OCEAN برای مطالعات in vitro طراحی شده‌اند و به‌گونه‌ای ساخته شده‌اند که سلول‌ها به طور مستقیم بر روی آن‌ها کشت شده و برای تجزیه و تحلیل زیر میکروسکوپ نوری قرار گیرند..
«رشد» آنتن ها روی یک تراشه
یکی از جنبه‌های کلیدی دستگاه‌ها دقتی است که پژوهشگران در ساخت آرایه‌ها در امکانات MIT.nano دارند.
MIT.nano که با نام ساختمان 12 نیز شناخته می‌شود، یک مرکز برای تحقیقات در مقیاس نانو است. 100000 فوت مربع اتاق تمیز و فضای تحقیقاتی آن که از طریق نمای شیشه‌ای گسترده قابل مشاهده است، بزرگترین مرکز تحقیقاتی نانو در کشور است
آن‌ها با یک زیرلایه شیشه‌ای شروع می‌کنند و لایه‌هایی از مواد رسانا و سپس مواد عایق را روی آن قرار می‌دهند که هرکدام از این لایه‌ها از نظر نوری شفاف هستند.
سپس با استفاده از یک پرتو یون متمرکز، صدها سوراخ نانومقیاس را در لایه‌های بالایی دستگاه برش می‌دهند. این نوع خاص از پرتو یون متمرکز امکان نانوفرایندسازی با توان عملیاتی بالا را فراهم می‌کند.
او می‌گوید: «این ابزار اساساً شبیه به یک قلم است که می‌توانید هر چیزی را با دقت ۱۰ نانومتر حکاکی کنید.»
آن‌ها چیپ را در محلولی غوطه‌ور می‌کنند که حاوی بلوک‌های ساخت پیش‌ساز برای پلیمر است. با اعمال جریان الکتریکی به محلول، ماده پیش‌ساز به داخل سوراخ‌های ریز روی چیپ جذب می‌شود و آنتن‌های به شکل قارچ از پایین به بالا «رشد» می‌کنند.
تمام فرایند ساخت نسبتا سریع است و پژوهشگران می‌توانند از این تکنیک برای ساخت چیپی با میلیون‌ها آنتن استفاده کنند.
او می‌گوید: «این تکنیک می‌تواند به راحتی به گونه‌ای تطبیق یابد که کاملاً مقیاس‌پذیر باشد. عامل محدودکننده این است که ما چقدر می‌توانیم آنتن‌ها را هم‌زمان تصویر برداری کنیم.»
او می‌گوید: «چون وقت گذاشتیم تا واقعاً به مدل نظری پشت این فرآیند بپردازیم و آن را درک کنیم، می‌توانیم حساسیت آنتن‌ها را به حداکثر برسانیم.»
پژوهشگران ابعاد آنتن‌ها را بهینه‌سازی کرده و پارامترهایی را تنظیم کردند که به آن‌ها این امکان را داد تا حساسیت کافی برای نظارت بر سیگنال‌ها با ولتاژهایی به اندازه ۲.۵ میلی‌ولت را در آزمایش‌های شبیه‌سازی‌شده بدست آورند. سیگنال‌هایی که نورون‌ها برای ارتباط ارسال می‌کنند معمولاً حدود ۱۰۰ میلی‌ولت هستند.
آنتن‌های OCEANs همچنین به سیگنال‌های تغییر یافته تنها در چند میلی‌ثانیه واکنش نشان می‌دهند، که این امکان را فراهم می‌کند تا سیگنال‌های الکتریکی با سینتیک سریع ثبت شوند.
در آینده، پژوهشگران قصد دارند دستگاه‌ها را با کشت‌های سلولی واقعی آزمایش کنند. آن‌ها همچنین می‌خواهند آنتن‌ها را به گونه‌ای بازطراحی کنند تا بتوانند غشاهای سلولی را نفوذ کرده و شناسایی سیگنال دقیق‌تری انجام دهند.
علاوه بر این، آن‌ها قصد دارند بررسی کنند که چگونه OCEANs می‌توانند در دستگاه‌های نانوفتونیک ادغام شوند، که نور را در مقیاس نانو برای سنسورها و دستگاه‌های نوری نسل بعدی دستکاری می‌کنند.
: Reference
