작은 무선 안테나는 빛을 사용하여 셀룰러 통신을 모니터링한다

생물학적 시스템에서 전기적 신호를 모니터링하면 과학자들이 세포 간 통신 방식을 이해하는 데 도움이 되며, 이는 부정맥이나 알츠하이머병과 같은 질병을 진단하고 치료하는 데 도움이 될 수 있습니다.

그러나 세포 배양 및 기타 액체 환경에서 전기 신호를 기록하는 장치는 종종 와이어를 사용하여 장치의 각 전극을 해당 증폭기에 연결합니다. 장치에 연결할 수 있는 와이어의 수가 제한되어 있으므로 기록 사이트 수가 제한되어 세포에서 수집할 수 있는 정보가 제한됩니다.

MIT 연구원들은 이제 전선이 필요 없는 바이오센싱 기술을 개발했습니다. 대신, 작고 무선인 안테나가 빛을 사용하여 미세한 전기 신호를 감지합니다.

주변 액체 환경의 작은 전기적 변화는 안테나가 빛을 분산하는 방식을 변경합니다. 각각이 인간 머리카락의 1/100인 작은 안테나 배열을 사용하여 연구자들은 세포 간에 교환되는 전기 신호를 극도의 공간 분해능으로 측정할 수 있었습니다.

10시간 이상 지속적으로 신호를 기록할 만큼 내구성이 뛰어난 이 장치는 생물학자들이 세포가 환경 변화에 반응하여 어떻게 소통하는지 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다. 장기적으로 이러한 과학적 통찰력은 진단의 발전을 위한 길을 열고, 표적 치료법의 개발을 촉진하며, 새로운 치료법의 평가에서 더 정확한 결과를 낼 수 있습니다.

"세포의 전기적 활동을 높은 처리량과 고해상도로 기록할 수 있는 것은 여전히 ​​실제적인 문제입니다. 우리는 몇 가지 혁신적인 아이디어와 대안적인 접근 방식을 시도해야 합니다." MIT 미디어 랩의 전 포스트닥이자 이 장치에 대한 논문의 주저자인 브누아 데비올레스의 말입니다.

이 논문에는 미디어 랩의 방문 학생인 Jad Hanna, 전 방문 학생인 Raphael Ausilio, 전 포스트닥인 Marta JI Airaghi Leccardi, Raith America, Inc.의 과학자인 Yang Yu, 그리고 미디어 랩과 MIT 신경생물공학 센터의 AT&T 경력 개발 조교수이자 Nano-Cybernetic Biotrek Lab의 책임자인 수석 저자 Deblina Sarkar가 함께 참여했습니다. 이 연구는 오늘 Science Advances 에 게재되었습니다.

"생체 전기는 세포와 다양한 생명 과정의 기능에 기본이 됩니다. 그러나 이러한 전기 신호를 정확하게 기록하는 것은 어려운 일이었습니다."라고 Sarkar는 말합니다. "우리가 개발한 유기 전기 산란 안테나(OCEAN)는 수천 개의 기록 사이트에서 동시에 마이크로미터 공간 분해능으로 전기 신호를 무선으로 기록할 수 있습니다. 이를 통해 질병 상태에서 근본적인 생물학과 변화된 신호를 이해하고 다양한 치료법의 효과를 스크리닝하여 새로운 치료법을 가능하게 하는 전례 없는 기회를 창출할 수 있습니다."

빛을 이용한 바이오센싱

연구자들은 전선이나 증폭기가 필요 없는 바이오센싱 장치를 설계하기로 했습니다. 이러한 장치는 전자 기기에 익숙하지 않은 생물학자에게 사용하기 더 쉬울 것입니다.

"우리는 전기 신호를 빛으로 변환하는 장치를 만들고, 모든 생물학 연구실에 있는 광학 현미경을 사용하여 이 신호를 조사할 수 있을지 궁금했습니다."라고 데스비올레스는 말합니다.

처음에 그들은 PEDOT:PSS라는 특수 폴리머를 사용하여 금 필라멘트의 작은 조각을 통합한 나노스케일 트랜스듀서를 설계했습니다. 금 나노입자는 빛을 산란시키는 것으로 생각되었는데, 이 과정은 폴리머에 의해 유도되고 조절될 것입니다. 하지만 결과는 그들의 이론적 모델과 일치하지 않았습니다.

연구자들은 금을 제거하려고 시도했고, 놀랍게도 그 결과가 모델과 훨씬 더 일치했습니다.

"우리는 금에서 신호를 측정하지 않고 폴리머 자체에서 신호를 측정했습니다. 매우 놀랍지만 흥미로운 결과였습니다. 우리는 그 발견을 바탕으로 유기 전기 산란 안테나를 개발했습니다."라고 그는 말합니다.

유기 전기 산란 안테나 또는 OCEAN은 PEDOT:PSS로 구성되어 있습니다. 이 폴리머는 근처에 전기 활동이 있을 때 주변 액체 환경에서 양이온을 끌어당기거나 밀어냅니다. 이는 화학적 배열과 전자 구조를 변경하여 굴절률이라고 하는 광학적 속성을 변경하여 빛을 산란하는 방식을 변경합니다.

연구자들이 안테나에 빛을 비추면, 반사되는 빛의 강도는 액체에 존재하는 전기 신호에 비례하여 변합니다.

수천 개 또는 수백만 개의 작은 안테나가 배열되어 있고 각각 너비가 1마이크로미터에 불과한 경우, 연구자들은 광학 현미경으로 산란된 빛을 포착하고 고해상도로 세포의 전기 신호를 측정할 수 있습니다. 각 안테나는 독립적인 센서이기 때문에 연구자들은 전기 신호를 모니터링하기 위해 여러 안테나의 기여를 모을 필요가 없습니다. 바로 이것이 OCEAN이 마이크로미터 분해능으로 신호를 감지할 수 있는 이유입니다.

시험관 연구를 목적으로 한 OCEAN 어레이는 어레이 위에 세포를 직접 배양하고 광학 현미경으로 분석할 수 있도록 설계되었습니다.

칩에 "성장"하는 안테나

이 장치의 핵심은 연구자들이 MIT.nano 시설에서 얼마나 정밀하게 배열을 제작할 수 있는가에 달려 있습니다.

그들은 유리 기판으로 시작하여 전도성 물질과 절연성 물질 층을 그 위에 증착하는데, 각각은 광학적으로 투명합니다. 그런 다음 초점 이온 빔을 사용하여 장치의 상단 층에 수백 개의 나노스케일 구멍을 뚫습니다. 이 특수 유형의 초점 이온 빔은 고처리량 나노 제작을 가능하게 합니다.

그는 "이 기구는 기본적으로 10나노미터 해상도로 무엇이든 새길 수 있는 펜과 같습니다."라고 말했습니다.

그들은 폴리머의 전구체 빌딩 블록이 들어 있는 용액에 칩을 담굽니다. 용액에 전류를 인가하면 그 전구체 물질이 칩의 작은 구멍으로 끌려 들어가고 버섯 모양의 안테나가 아래에서 위로 "성장"합니다.

전체 제조 과정은 비교적 빠르며, 연구자들은 이 기술을 사용하여 수백만 개의 안테나가 있는 칩을 만들 수 있었습니다.

"이 기술은 쉽게 조정하여 완전히 확장할 수 있습니다. 제한 요소는 동시에 얼마나 많은 안테나를 이미지화할 수 있느냐입니다."라고 그는 말합니다.

연구자들은 안테나의 치수를 최적화하고 매개변수를 조정하여 시뮬레이션 실험에서 전압이 2.5밀리볼트만큼 낮은 신호를 모니터링할 수 있을 만큼 충분히 높은 감도를 달성할 수 있었습니다. 신경 세포가 통신을 위해 보내는 신호는 일반적으로 약 100밀리볼트입니다.

"우리는 이 과정의 이론적 모델을 깊이 파고들어 이해하기 위해 시간을 들였기 때문에 안테나의 감도를 극대화할 수 있었습니다."라고 그는 말합니다.

OCEAN은 또한 몇 밀리초 만에 변화하는 신호에 반응하여 빠른 운동으로 전기 신호를 기록할 수 있었습니다. 앞으로 연구자들은 실제 세포 배양으로 장치를 테스트하고자 합니다. 또한 세포막을 관통할 수 있도록 안테나를 재형성하여 더 정확한 신호 감지를 가능하게 하고자 합니다.

또한, 그들은 OCEAN이 나노 광자 소자에 어떻게 통합될 수 있는지 연구하고 싶어합니다. 나노 광자 소자는 차세대 센서와 광학 소자를 위해 나노 수준에서 빛을 조작합니다.

이 연구는 일부 미국 국립보건원과 스위스 국립과학재단의 자금 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/12/241220153339.htm