Kiedy elektronika spotyka się z biologią

Kolejny wykład w ramach serii wykładów Lecture on nanotechnology. Kilka słów o tych wykładach. Jest to seria wykładów poświęcona różnym aspektom nanotechnologii. Co roku zmienia się plan tychże wykładów a także główne nastawienie. W tym roku dominującym aspektem jest integracja biologii i elektroniki a także grafen. Także można powiedzieć, że miałem szczęście. Wykłady są transmitowane do czterech uniwersytetów w czasie rzeczywistym z pełną interakcją, także każde z audytoriów może zadawać bezpośrednio pytania. 

Wracając do wykładu, traktował o wykorzystaniu układów scalonych do monitorowania układów biologicznych, zarówno na poziomie pojedynczych komórek jak i większych elementów takich jak fragmenty tkanek.

Trudno wyobrazić sobie nowoczesną diagnostykę bez MRI, laboratoria bez sekwencerów DNA, mikroskopów z detekcją pojedynczych molekuł itd. Automatyzacja laboratoriów dotyczy również hodowli komórek w ustalonych i ściśle kontrolowanych warunkach. Ma to znaczenie między innymi dla przemysłu farmaceutycznego. O tym mówiono na wykładzie. Obecnie proces projektowania leku zawiera kilka faz ich testowania, w każdej z nich sprawdza się różne wersję danego specyfiku, dawki etc. Metoda jest w gruncie rzeczy podobna do symulowanego wyżarzania. 

Multiwell culture plates
©www.sigma-aldrich.com 

Proces ten można zoptymalizować przez zmniejszenie liczby wariantów leku jakie trafiają do testów na zwierzętach i ochotnikach, a więc skrócić czas przechodzenia specyfiku przez kolejne fazy badań klinicznych. 

Najnowsze osiągnięcie IMAC polega na monitorowaniu w czasie rzeczywistym każdej z takiej hodowli komórek w ramach multi-well plate. 

Można bliżej i głębiej

Technika nazywa się Patch clamp, jest stosowana od lat 80' ubiegłego wieku. Narzędzie a właściwie procedura pozwala na obserwację zachowania kanałów jonowych. Tylko co wtedy gdy chce się zaobserwować zachowanie wielu komórek oddziałujących ze sobą. Każdą z nich trzeba by unieruchomić co zapewne wpłynęłoby na wynik eksperymentu. Naukowcy z IMAC poszli w innym kierunku. Zaprojektowali i wykonali podłoże zawierające matryce nanoigieł. Błona komórkowa po prostu otacza taką nanoigłe. Mierząc sygnał z takiego sensora można uzyskać informację na temat np. polaryzacji błony komórkowej. Istotnym aspektem jest fakt, że technika ta w zasadniczy sposób nie wpływa na rozwój komórek np. nerwowych na tym podłożu. Co więcej, modyfikując je w odpowiedni sposób można skłonić neuron do wzrostu w odpowiednim kierunku.

Jeszcze głębiej

Wyobraźnia nie zna granic. 

Stymulator serca był bodajże pierwszym elektronicznym urządzeniem wspomagającym a raczej umożliwiającym działanie organu w ciele człowieka.

Dokonuję się również stymulacji określonych obszarów mózgu w celu leczenia takich chorób jak epilepsja, schizofrenia, jak donosi Wprost również nerwica natręctw, ostre stany depresyjne, a nawet otyłość i dziecięce porażenie mózgowe. 

Skoro mamy urządzenie podłączone do jednego z organów, dlaczego nie wykorzystać go do monitorowania tego miejsca, odczytywania sygnału wprost z mózgu bądź serca. 

W przypadku stymulacji mózgu, jak zaprezentowano na wykładzie, konieczna jest większa liczba elektrod na tej samej powierzchni. Istotne jest uwzględnienie aspektu odpowiedzi immunologicznej na wprowadzone elektrody. Zwiększenie czułości na odbierany sygnał można uzyskać poprzez zlokalizowanie wzmacniacza sygnału w bliskim sąsiedztwie elektrody, co zdecydowanie poprawia stosunek sygnału do szumu. 

Zarówno w przypadku kardiostymulatorów jak i stymulatorów mózgu, ważne jest pewne źródło zasilania. Tutaj również dokonuje się znaczący postęp. Jak donosi Nanowerk, opracowano biokompatybilny materiał, który ma wysoki współczynnik konwersji energii mechanicznej w elektryczną (znany efekt piezoelektryczny). Znowu można sobie wyobrazić, że taki materiał mógłby konwertować energię mechaniczną na elektryczne impulsy, podczas pobierania powietrza przez płuca. Więcej w Nano Letters.

Żyjemy w ciekawych czasach.

Coś na temat danych biomedycznych, z konferencji TED