Un team guidato da ricercatori della Carnegie Mellon University ha creato una nuova tecnologia che migliora la capacità degli scienziati di comunicare con le cellule neurali usando la luce. Tzahi Cohen Karni, professore associato di ingegneria biomedica e scienza e ingegneria dei materiali, ha guidato un team che ha sintetizzato il grafene sfocato tridimensionale su un modello di nanofili per creare un materiale superiore per le cellule che stimolano fototermicamente. Il grafene fuzzy tridimensionale (3D) con modello NW (NT-3DFG) consente la stimolazione ottica remota senza necessità di modificazione genetica e utilizza ordini di grandezza in meno di energia rispetto ai materiali disponibili, prevenire lo stress cellulare.

Il grafene è abbondante, a buon mercato, e biocompatibile. Il laboratorio di Cohen-Karni lavora con il grafene da diversi anni, sviluppando una tecnica di sintesi del materiale in topologie 3D che ha etichettato come grafene "sfocato". Facendo crescere scaglie di grafene bidimensionali (2-D) fuori dal piano su una struttura di nanofili di silicio, sono in grado di creare una struttura 3D con assorbimento ottico a banda larga e un'efficienza fototermica senza pari.

Queste proprietà lo rendono ideale per la modulazione dell'elettrofisiologia cellulare utilizzando la luce attraverso l'effetto optocapacitivo. L'effetto optocapacitivo altera la capacità della membrana cellulare a causa di impulsi luminosi applicati rapidamente. NT-3DFG può essere facilmente realizzato in sospensione, consentendo lo studio della segnalazione cellulare all'interno e tra i sistemi cellulari 2-D e 3-D, come organoidi a base di cellule umane.

Sistemi come questi non sono solo cruciali per capire come le cellule segnalano e interagiscono tra loro, ma hanno anche un grande potenziale per lo sviluppo di nuovi, interventi terapeutici. Esplorazione di queste opportunità, però, è stato limitato dal rischio di stress cellulare che le tecnologie di controllo remoto ottico esistenti presentano. L'uso di NT-3DFG elimina questo rischio utilizzando significativamente meno energia, su una scala di 1-2 ordini di grandezza in meno. La sua superficie biocompatibile è facilmente modificabile chimicamente, rendendolo versatile per l'uso con diversi tipi di cellule e ambienti. Utilizzando NT-3DFG, potrebbero essere sviluppati trattamenti di stimolazione fototermica per il reclutamento motorio per indurre l'attivazione muscolare o potrebbero dirigere lo sviluppo dei tessuti in un sistema organoide.

"Si tratta di un eccezionale lavoro di collaborazione di esperti provenienti da più campi, comprese le neuroscienze attraverso Pitt e UChicago, e fotonica e scienza dei materiali attraverso UNC e CMU, " ha detto Cohen-Karni. "La tecnologia sviluppata ci permetterà di interagire con i tessuti ingegnerizzati o con il tessuto nervoso o muscolare in vivo. Ciò ci consentirà di controllare e influenzare la funzionalità dei tessuti utilizzando la luce a distanza con alta precisione e basse energie necessarie".

Ulteriori contributi al progetto sono stati forniti da Maysam Chamanzar, professore assistente di ingegneria elettrica e informatica. L'esperienza di base del suo team in fotonica e neurotecnologie ha aiutato a sviluppare gli strumenti tanto necessari per consentire sia la caratterizzazione dei nanomateriali ibridi unici, e nello stimolare le cellule registrando otticamente la loro attività.

"L'assorbimento a banda larga di questi nanomateriali 3D ci ha permesso di utilizzare la luce a lunghezze d'onda che possono penetrare in profondità nel tessuto per eccitare a distanza le cellule nervose. Questo metodo può essere utilizzato in un'intera gamma di applicazioni, dalla progettazione di terapie non invasive agli studi scientifici di base, " disse Chamanzar.

I risultati del team sono significativi sia per la nostra comprensione delle interazioni cellulari che per lo sviluppo di terapie che sfruttano il potenziale delle cellule del corpo umano. Le nanostrutture create utilizzando NT-3DFG potrebbero avere un impatto importante sul futuro della biologia e della medicina umana.