Un team guidato da ingegneri dell'Università della California a San Diego ha sviluppato nanofili in grado di registrare l'attività elettrica dei neuroni nei minimi dettagli. La nuova tecnologia dei nanocavi potrebbe un giorno fungere da piattaforma per lo screening dei farmaci per le malattie neurologiche e potrebbe consentire ai ricercatori di comprendere meglio come le singole cellule comunicano in grandi reti neuronali.

"Stiamo sviluppando strumenti che ci consentiranno di approfondire la scienza su come funziona il cervello, " disse Shadi Dayeh, un professore di ingegneria elettrica presso la Jacobs School of Engineering della UC San Diego e investigatore capo del team.

"Prevediamo che questa tecnologia dei nanofili possa essere utilizzata su modelli cerebrali derivati ​​da cellule staminali per identificare i farmaci più efficaci per le malattie neurologiche, " ha detto Anna Bang, direttore della biologia cellulare presso il Conrad Prebys Center for Chemical Genomics presso il Sanford Burnham Medical Research Institute.

Il progetto è stato uno sforzo collaborativo tra i laboratori Dayeh e Bang, neurobiologi dell'UC San Diego, e ricercatori della Nanyang Technological University di Singapore e dei Sandia National Laboratories. I ricercatori hanno pubblicato il loro lavoro il 10 aprile in Nano lettere .

I ricercatori possono scoprire dettagli sulla salute di un neurone, attività e risposta ai farmaci misurando le correnti del canale ionico e i cambiamenti nel suo potenziale intracellulare, che è dovuto alla differenza di concentrazione di ioni tra l'interno e l'esterno della cellula. La tecnica di misurazione all'avanguardia è sensibile a piccoli cambiamenti potenziali e fornisce letture con elevati rapporti segnale-rumore. Però, questo metodo è distruttivo:può rompere la membrana cellulare e alla fine uccidere la cellula. È anche limitato all'analisi di una sola cella alla volta, rendendolo poco pratico per lo studio di grandi reti di neuroni, che sono come sono naturalmente disposti nel corpo.

"Le attuali tecniche di misurazione ad alta sensibilità non sono scalabili su strutture simili a tessuti 2D e 3D coltivate in vitro, " Dayeh ha detto. "Lo sviluppo di una tecnologia su nanoscala in grado di misurare cambiamenti potenziali rapidi e minuti nelle reti cellulari neuronali potrebbe accelerare lo sviluppo di farmaci per le malattie del sistema nervoso centrale e periferico".

La tecnologia dei nanofili sviluppata nel laboratorio di Dayeh è non distruttiva e può misurare simultaneamente potenziali cambiamenti in più neuroni, con l'elevata sensibilità e risoluzione raggiunte dall'attuale stato dell'arte.

Il dispositivo è costituito da una serie di nanofili di silicio densamente impacchettati su un piccolo chip modellato con conduttori di elettrodi di nichel rivestiti di silice. I nanofili colpiscono all'interno delle cellule senza danneggiarle e sono abbastanza sensibili da misurare piccoli cambiamenti potenziali che sono di una frazione o di pochi millivolt in grandezza. I ricercatori hanno utilizzato i nanofili per registrare l'attività elettrica dei neuroni isolati dai topi e derivati ​​da cellule staminali pluripotenti indotte dall'uomo. Questi neuroni sono sopravvissuti e hanno continuato a funzionare per almeno sei settimane mentre si interfacciavano con l'array di nanofili in vitro .

Un'altra caratteristica innovativa di questa tecnologia è che può isolare il segnale elettrico misurato da ogni singolo nanofilo. "Questo è insolito nelle tecnologie dei nanocavi esistenti, dove più fili sono cortocircuitati elettricamente e non è possibile differenziare il segnale da ogni singolo filo, "Ha detto Dayeh.

Per superare questo ostacolo, i ricercatori hanno inventato un nuovo approccio di wafer bonding per fondere i nanofili di silicio con gli elettrodi di nichel. Il loro approccio prevedeva un processo chiamato silicidazione, che è una reazione che lega insieme due solidi (silicio e un altro metallo) senza fondere nessuno dei due materiali. Questo processo impedisce agli elettrodi di nichel di liquefarsi, allargamento e cortocircuito dei cavi degli elettrodi adiacenti.

La silicidazione viene solitamente utilizzata per stabilire contatti con transistor, ma questa è la prima volta che viene utilizzato per eseguire l'incollaggio di wafer modellati, ha detto Dayeh. "E poiché questo processo viene utilizzato nella fabbricazione di dispositivi a semiconduttore, possiamo integrare versioni di questi nanofili con l'elettronica CMOS." Il laboratorio di Dayeh detiene diverse domande di brevetto in attesa per questa tecnologia.

Dayeh ha osservato che la tecnologia necessita di un'ulteriore ottimizzazione per lo screening dei farmaci brain-on-chip. Il suo team sta lavorando per estendere l'applicazione della tecnologia allo screening farmacologico cuore su chip per le malattie cardiache e in vivo mappatura del cervello, che è ancora lontano diversi anni a causa di importanti sfide tecnologiche e biologiche che i ricercatori devono superare. "Il nostro obiettivo finale è tradurre questa tecnologia in un dispositivo che può essere impiantato nel cervello".