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前沿 |加速神经疾病新药筛选,纳米级新工具有何神通?

[来源]:药明康德 [浏览次数]:

近日,一支来自加州大学圣地亚哥分校(UCSD)工程学院的团队开发出一种能够精确记录神经元细胞电生理活动的纳米导线。这一新型纳米材料技术有望可以成为筛选神经疾病药物的平台,帮助研究人员更好地了解单个细胞在大面积神经元网络中的通信作用。该研究成果以论文形式发表在了2017年4月6日的美国化学学会(American Chemical Society)官方学术期刊《Nano Letters》上。

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该论文通讯作者、加州大学圣地亚哥分校雅各布工学院(UCSD Jacobs School of Engineering)电气工程教授Shadi Dayeh博士表示:“我们正在开发新型研究工具,使我们能够深入了解大脑如何运作。”

该论文研究作者之一、Sanford Burnham Prebys医学研究所化学基因组学中心的细胞生物学主任Anne Bang博士也评论说:“我们设想这种纳米线技术可用于干细胞来源的脑模型,以确定最有效的神经疾病药物。”

在神经科学领域,研究人员可以通过测量离子通道电流和细胞内电位的变化来揭示神经元的健康程度、活性以及对药物反应,这一细节信息是由于细胞内部和外部之间的离子浓度的差异而体现的。这一先进的测量技术对极微小电位变化敏感,并可以提供具有高信噪比的读数。然而,这种方法却是破坏性的:因为该技术操作破坏细胞膜,最终扼杀了细胞。它也局限于每次分析单个细胞,使得研究大型神经元网络不切实际的,而恰恰这些神经元是以大型神经元网络形式自然排列在体内的。

Shadi Dayeh博士说道:“现有的高灵敏度测量技术不能在体外培养的2维和3维组织样结构中扩展。我们需要可以测量神经元细胞网络中快速且微小变化的纳米技术,这一方向的发展可以加速中枢和周围神经系统疾病的药物开发。

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纳米线阵列的着色SEM图像(图片来源:加州大学圣地亚哥分校电子和生物界面综合实验室)

Shadi Dayeh博士实验室开发的纳米导线技术是非破坏性的,可以同时测量多个神经元的潜在变化,特别是也具备了目前现有技术水平所达到的高灵敏度和分辨率。该器件由硅纳米导线阵列密集堆积一个小芯片上,同时其上面也具有涂覆有二氧化硅的镍电极引线。纳米导线戳入细胞内但却不会损坏细胞,它们可以足够敏感地测量低达几毫伏极微小的潜在变化。研究人员使用这种纳米导线记录了从小鼠体内分离或从人类诱导多能干细胞衍生的神经元电生理活动。这些神经元在体外与纳米导线阵列相接触,存活并持续运作至少6周长的时间。

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与纳米导线阵列连接的神经元(橙色)的着色SEM图像(图片来源:《Nano Letters》)

该技术的另一个创新特征是可以隔离每个纳米导线所测得的电信号。Dayeh博士说:“这一大特征在现有纳米导线技术中并不常见。一般来说,现有技术中几根电线有交集,你无法区分每条导线所获得的信号。”为了克服这一障碍,研究人员发明了一种新的晶圆接合方法将硅纳米导线熔合到镍电极上。这一方法涉及称为硅化的过程,其是将两种固体(硅和另一种金属)结合在一起而不熔化任何材料的反应。这个过程防止镍电极与相邻电极引线发生液化、扩散或短路。科研人员通常使用硅化物来与晶体管接触,但这是第一次用来进行图案化晶片粘合。

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加州大学圣地亚哥分校雅各布工学院电气工程教授Shadi Dayeh博士(图片来源:加州大学圣地亚哥官网)

Dayeh博士指出,该技术需要进一步优化基于“器官芯片”(比如“大脑芯片”)上的药物筛选途径。他还表示,他的团队正在努力将该技术的应用范围扩展到“”心脏芯片“,进行心脏疾病药物筛选。