Un wafer creato alla Rice University contiene più canali microfluidici con nano-SPEAR in grado di misurare i segnali elettrici dalle cellule dei nematodi. La tecnologia ad alto rendimento può essere adattata per altri piccoli animali e potrebbe migliorare la raccolta di dati per la caratterizzazione delle malattie e le interazioni farmacologiche. Credito:Robinson Lab/Rice University
Le sonde microscopiche sviluppate alla Rice University hanno semplificato il processo di misurazione dell'attività elettrica nelle singole cellule di piccoli animali viventi. La tecnica consente di testare ripetutamente un singolo animale come un verme e potrebbe rivoluzionare la raccolta dei dati per la caratterizzazione della malattia e le interazioni farmacologiche.
Il laboratorio Rice dell'ingegnere elettrico e informatico Jacob Robinson ha inventato "matrici di elettrodi sospesi su nanoscala"—noti anche come nano-SPEAR—per dare ai ricercatori l'accesso ai segnali elettrofisiologici dalle cellule di piccoli animali senza ferirli. I Nano-SPEAR sostituiscono gli elettrodi delle pipette in vetro che devono essere allineati manualmente ogni volta che vengono utilizzati."
Uno dei colli di bottiglia sperimentali nello studio del comportamento sinaptico e delle malattie degenerative che colpiscono la sinapsi è l'esecuzione di misurazioni elettriche in quelle sinapsi, " ha detto Robinson. "Abbiamo deciso di studiare grandi gruppi di animali in molte condizioni diverse per lo screening dei farmaci o testare diversi fattori genetici che si riferiscono a errori nella segnalazione a quelle sinapsi".
La ricerca è dettagliata questa settimana in Nanotecnologia della natura .
I primi lavori di Robinson alla Rice si concentrarono sull'alta qualità, caratterizzazione elettrica ad alto rendimento di singole cellule. La nuova piattaforma adatta il concetto per sondare le cellule superficiali dei nematodi, vermi che costituiscono l'80% di tutti gli animali sulla Terra.
Jacob Robinson della Rice University, sinistra, un assistente professore di ingegneria elettrica e informatica, guarda mentre lo studente laureato Daniel Gonzales assembla un dispositivo microfluidico progettato per catturare segnali elettrici dalle cellule muscolari dei nematodi. Il dispositivo semplifica il processo di acquisizione dei dati e potrebbe rivoluzionare la raccolta dei dati per la caratterizzazione delle malattie e le interazioni farmacologiche. Credito:Jeff Fitlow/Rice University
La maggior parte di ciò che è noto sull'attività muscolare e sulla trasmissione sinaptica nei vermi proviene dai pochi studi che hanno utilizzato con successo pipette di vetro allineate manualmente per misurare l'attività elettrica delle singole cellule, disse Robinson. Però, questa tecnica di patch clamp richiede un intervento chirurgico invasivo e dispendioso in termini di tempo che potrebbe influire negativamente sui dati raccolti da piccoli animali da ricerca.
La piattaforma sviluppata dal team di Robinson funziona come un casello autostradale per i vermi in viaggio. Poiché ogni animale passa attraverso uno stretto canale, viene temporaneamente immobilizzato e premuto contro una o più nano-lance che penetrano nel muscolo della parete corporea e registrano l'attività elettrica delle cellule vicine. Quell'animale viene poi rilasciato, il successivo viene catturato e misurato, e così via. Robinson ha affermato che il dispositivo si è dimostrato molto più veloce da usare rispetto alle tradizionali tecniche di misurazione delle celle elettrofisiologiche.
I nano-SPEAR sono creati utilizzando procedure standard di deposizione di film sottili e fascio di elettroni o fotolitografia e possono essere realizzati da meno di 200 nanometri a più di 5 micron di spessore, a seconda della taglia dell'animale da testare. Poiché i nano-SPEAR possono essere fabbricati sia su silicio che su vetro, la tecnica si combina facilmente con la microscopia a fluorescenza, disse Robinson.
Gli animali adatti al sondaggio con una nano-SPEAR possono essere grandi anche diversi millimetri, come l'idra, cugini della medusa e oggetto di uno studio imminente. Ma i nematodi noti come Caenorhabditis elegans erano pratici per diversi motivi:primo, Robinson ha detto, sono abbastanza piccoli da essere compatibili con dispositivi microfluidici ed elettrodi a nanofili. Secondo, ce n'erano molti in fondo al corridoio nel laboratorio del collega di Rice Weiwei Zhong, che studia i nematodi come trasparenti, modelli facilmente manipolabili per le vie di segnalazione comuni a tutti gli animali.
Un microscopio elettronico a scansione mostra una nano-SPEAR sospesa a metà strada tra strati di silicio (grigio) e materiale fotoresist (rosa) che formano una camera di registrazione per i nematodi immobilizzati. La tecnologia ad alto rendimento sviluppata alla Rice University può essere adattata ad altri piccoli animali e potrebbe migliorare la raccolta di dati per la caratterizzazione delle malattie e le interazioni farmacologiche. Credito:Robinson Lab/Rice University
"Prima evitavo di misurare l'elettrofisiologia perché il metodo convenzionale del patch clamping è tecnicamente molto impegnativo, " ha detto Zhong, un assistente professore di biochimica e biologia cellulare e coautore del documento. "Solo pochi dottorandi o dottori di ricerca possono farlo. Con il dispositivo di Jacob, anche uno studente universitario può misurare l'elettrofisiologia."
"Questo si sposa bene con la fenotipizzazione ad alto rendimento che fa, "Ha detto Robinson. "Ora può correlare i fenotipi locomotori con l'attività delle cellule muscolari. Riteniamo che sarà utile studiare le malattie degenerative incentrate sulle giunzioni neuromuscolari».
Infatti, i laboratori hanno iniziato a farlo. "Ora stiamo usando questa configurazione per profilare i vermi con modelli di malattie neurodegenerative come il Parkinson e lo screening per i farmaci che riducono i sintomi, " Zhong ha detto. "Questo non sarebbe possibile utilizzando il metodo convenzionale."
I test iniziali sui modelli di C. elegans per la sclerosi laterale amiotrofica e il morbo di Parkinson hanno rivelato per la prima volta chiare differenze nelle risposte elettrofisiologiche tra i due, hanno riferito i ricercatori. La sperimentazione dell'efficacia dei farmaci sarà aiutata dalla nuova capacità di studiare piccoli animali per lunghi periodi. "Ciò che possiamo fare, per la prima volta, è guardare l'attività elettrica per un lungo periodo di tempo e scoprire interessanti modelli di comportamento, " ha detto Robinson.
Alcuni vermi sono stati studiati per un massimo di un'ora, e altri sono stati testati in più giorni, ha detto l'autore principale Daniel Gonzales, uno studente laureato della Rice nel laboratorio di Robinson che si è incaricato di allevare i nematodi attraverso i dispositivi microfluidici.
"Era in qualche modo più facile che lavorare con cellule isolate perché i vermi sono più grandi e abbastanza robusti, " Gonzales ha detto. "Con le cellule, se c'è troppa pressione, loro muoiono. Se colpiscono un muro, loro muoiono. Ma i vermi sono davvero robusti, quindi si trattava solo di metterli contro gli elettrodi e tenerli lì."
Il team ha costruito array microfluidici con più canali che hanno permesso di testare molti nematodi contemporaneamente. Rispetto alle tecniche di patch-clamping che limitano i laboratori a studiare circa un animale all'ora, Robinson ha detto che la sua squadra ha misurato fino a 16 nematodi all'ora.
"Poiché questa è una tecnologia basata sul silicio, realizzare array e produrre camere di registrazione in numero elevato diventa una possibilità concreta, " Egli ha detto.
