Olcsó módszert dolgozott ki a Carnegie Egyetem az emberi sejtek fénnyel való irányítására
A Carnegie Mellon Egyetem kutatói olyan technikát dolgoztak ki, amely könnyebbé teszi a neuronok irányítását fény felhasználásával.
A módszert kidolgozó kutatócsoportot Tzahi Cohen-Karni orvosbiológiai mérnöki, anyagtudományi és mérnöki docens vezette. Cohen-Karni csapata nanocsövek sablonját használta a 3D-s „borzas” grafén (fuzzy graphene) szintéziséhez, olyan anyagot hozva létre, amely könnyebben képes fototermikusan stimulálni a sejteket. Ez az anyag lehetővé teszi a kutatók számára, hogy optikailag stimulálják a neuronokat, méghozzá bármiféle genetikai módosítás nélkül. Ráadásul az NT-3DFG névvel jelölt fejlesztés kevés energiát használ, minimalizálva ezzel a sejtstresszt.
A grafén bőségesen rendelkezésre áll, olcsó és kompatibilis a biológiai anyagokkal. Cohen-Karni laboratóriuma évek óta használ grafént a különböző kutatásokhoz, így elegendő tapasztalatot gyűjtöttek az anyaggal kapcsolatban, és kidolgozták a „fuzzy”, magyarul „borzas” grafén létrehozásának technológiáját. A kétdimenziós (2D) grafénpehely síkból történő növesztésével egy szilikon nanosávos struktúrán képesek 3D-s struktúrát létrehozni szélessávú optikai abszorpcióval és páratlan fototermikus hatékonysággal. Ezek a tulajdonságok ideálissá teszik a grafént a sejtek elektrofiziológiai modulációjához való felhasználásra, melyet fény segítségével, az optokapacitív hatáson keresztül érnek el a kutatók. Az optokapacitív hatás megváltoztatja a sejtmembrán kapacitását a gyorsan alkalmazott fényimpulzusok miatt. Az NT-3DFG könnyen elkészíthető szuszpenzióban, lehetővé téve a sejtek jelátvitelének tanulmányozását mind a 2D sejtrendszerekben, mind a 3D-ben; ilyenek például az emberi sejt alapú organoidok.
Az ilyen rendszerek nemcsak elengedhetetlenek annak megértéséhez, hogy a sejtek miként lépnek kölcsönhatásba egymással, hanem nagy lehetőséget hordoznak magukban a terápiás beavatkozások kifejlesztéséhez is. Ezen lehetőségek feltárását azonban korlátozza a meglévő optikai távirányító technológiák jelenléte miatt kialakuló celluláris stressz kockázata. Az NT-3DFG használata kiküszöböli ezt a kockázatot azáltal, hogy lényegesen kevesebb energiát fogyaszt.
Az NT-3DFG biokompatibilis felülete könnyen módosítható kémiailag, sokoldalúvá téve a különféle sejttípusoknál és környezetekben való felhasználást. Az NT-3DFG alkalmazásával fototermikus stimulációs kezeléseket lehet kifejleszteni a motoros toborzáshoz az izmok aktiválásának indukálására, vagy irányíthatják a szövetek fejlődését egy organoid rendszerben.
„A kifejlesztett technológia lehetővé teszi számunkra, hogy in vivo kölcsönhatásba lépjünk akár a mesterséges szövetekkel, akár ideg- vagy izomszövettel. Ezáltal elérhető, hogy a fénnyel távolról, nagy pontossággal és kevés energiával irányítsuk és befolyásoljuk a szövetek működését” – mondta Cohen-Karni.
A csoport megállapításai mind a sejtek közötti kölcsönhatások megértése, mind az emberi test saját sejtjeinek potenciálját kihasználó terápiák kifejlesztése szempontjából jelentősek. Az NT-3DFG alkalmazásával létrehozott nanoszerkezetek jelentős hatást gyakorolhatnak az emberi biológia és az orvostudomány jövőjére.
A teljes tanulmány a következő adatok alapján érhető el:
Rastogi, S. K., Garg, R., Scopelliti, M. G., Pinto, B. I., Hartung, J. E., Kim, S., Murphey, C. G. E., Johnson, N., Roman, D. S., Bezanilla, F., Cahoon, J. F., Gold, M. S., Chamanzar, M., & Cohen-Karni, T. (2020). Remote nongenetic optical modulation of neuronal activity using fuzzy graphene. Proceedings of the National Academy of Sciences. https://doi.org/10.1073/pnas.1919921117
Hegyi Heni/NEW technology