Una oblea creada en la Universidad de Rice contiene múltiples canales de microfluidos con nano-SPEARs que pueden medir señales eléctricas de las células de los nematodos. La tecnología de alto rendimiento se puede adaptar para otros animales pequeños y podría mejorar la recopilación de datos para la caracterización de enfermedades y las interacciones farmacológicas. Crédito:Laboratorio Robinson / Universidad Rice
Las sondas microscópicas desarrolladas en la Universidad de Rice han simplificado el proceso de medición de la actividad eléctrica en células individuales de pequeños animales vivos. La técnica permite que un solo animal como un gusano sea probado una y otra vez y podría revolucionar la recopilación de datos para la caracterización de enfermedades y las interacciones entre medicamentos.
El laboratorio de Rice del ingeniero eléctrico e informático Jacob Robinson ha inventado "conjuntos de electrodos suspendidos a nanoescala", también conocidos como nano-SPEAR, para dar a los investigadores acceso a las señales electrofisiológicas de las células de los animales pequeños sin dañarlos. Las Nano-SPEAR reemplazan los electrodos de pipeta de vidrio que deben alinearse a mano cada vez que se utilizan ".
Uno de los cuellos de botella experimentales en el estudio del comportamiento sináptico y las enfermedades degenerativas que afectan la sinapsis es realizar mediciones eléctricas en esas sinapsis, "Nos propusimos estudiar grandes grupos de animales en muchas condiciones diferentes para detectar medicamentos o probar diferentes factores genéticos que se relacionan con errores en la señalización en esas sinapsis", dijo Robinson.
La investigación se detalla esta semana en Nanotecnología de la naturaleza .
El trabajo inicial de Robinson en Rice se centró en la alta calidad, Caracterización eléctrica de alto rendimiento de células individuales. La nueva plataforma adapta el concepto para sondear las células superficiales de los nematodos, gusanos que constituyen el 80 por ciento de todos los animales de la Tierra.
Jacob Robinson de la Universidad de Rice, izquierda, un profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática, observa cómo el estudiante de posgrado Daniel Gonzales ensambla un dispositivo de microfluidos diseñado para capturar señales eléctricas de las células musculares de los nematodos. El dispositivo simplifica el proceso de adquisición de datos y podría revolucionar la recopilación de datos para la caracterización de enfermedades y las interacciones farmacológicas. Crédito:Jeff Fitlow / Rice University
La mayor parte de lo que se sabe sobre la actividad muscular y la transmisión sináptica en los gusanos proviene de los pocos estudios que utilizaron con éxito pipetas de vidrio alineadas manualmente para medir la actividad eléctrica de las células individuales. Dijo Robinson. Sin embargo, Esta técnica de pinzamiento de parche requiere una cirugía invasiva y que requiere mucho tiempo y que podría afectar negativamente los datos que se recopilan de pequeños animales de investigación.
La plataforma desarrollada por el equipo de Robinson funciona como una cabina de peaje para gusanos viajeros. A medida que cada animal pasa por un canal estrecho, se inmoviliza temporalmente y se presiona contra una o varias nano-LANZAS que penetran el músculo de la pared del cuerpo y registran la actividad eléctrica de las células cercanas. Ese animal luego es liberado, el siguiente es capturado y medido, etcétera. Robinson dijo que el dispositivo demostró ser mucho más rápido de usar que las técnicas tradicionales de medición de células electrofisiológicas.
Las nano-SPEAR se crean utilizando procedimientos estándar de deposición de película delgada y haz de electrones o fotolitografía y pueden fabricarse desde menos de 200 nanómetros hasta más de 5 micrones de espesor. dependiendo del tamaño del animal a ensayar. Debido a que las nano-SPEAR se pueden fabricar en silicio o vidrio, la técnica se combina fácilmente con la microscopía de fluorescencia, Dijo Robinson.
Los animales aptos para el sondeo con nano-SPEAR pueden medir varios milímetros, como hidra, primos de las medusas y el tema de un próximo estudio. Pero los nematodos conocidos como Caenorhabditis elegans fueron prácticos por varias razones:Primero, Robinson dijo:son lo suficientemente pequeños como para ser compatibles con dispositivos de microfluidos y electrodos de nanocables. Segundo, había muchos de ellos al final del pasillo en el laboratorio del colega de Rice, Weiwei Zhong, que estudia a los nematodos como transparentes, modelos fácilmente manipulables para la señalización de vías que son comunes a todos los animales.
Una micrografía electrónica de barrido muestra una nano-SPEAR suspendida a medio camino entre capas de silicio (gris) y material fotorresistente (rosa) que forman una cámara de grabación para nematodos inmovilizados. La tecnología de alto rendimiento desarrollada en la Universidad de Rice se puede adaptar para otros animales pequeños y podría mejorar la recopilación de datos para la caracterización de enfermedades y las interacciones medicamentosas. Crédito:Laboratorio Robinson / Universidad Rice
"Solía rehuir la medición de la electrofisiología porque el método convencional de pinzamiento con parche es un desafío técnico, "dijo Zhong, profesor asistente de bioquímica y biología celular y coautor del artículo. "Solo unos pocos estudiantes de posgrado o posdoctorado pueden hacerlo. Con el dispositivo de Jacob, incluso un estudiante universitario puede medir la electrofisiología ".
"Esto encaja muy bien con el fenotipado de alto rendimiento que hace, "Dijo Robinson." Ahora puede correlacionar los fenotipos locomotoras con la actividad en las células musculares. Creemos que será útil para estudiar enfermedades degenerativas centradas en las uniones neuromusculares ".
De hecho, los laboratorios han comenzado a hacerlo. "Ahora estamos usando esta configuración para perfilar gusanos con modelos de enfermedades neurodegenerativas como el Parkinson y detectar fármacos que reduzcan los síntomas, ", Dijo Zhong." Esto no sería posible utilizando el método convencional ".
Las pruebas iniciales en modelos de C. elegans para la esclerosis lateral amiotrófica y la enfermedad de Parkinson revelaron por primera vez claras diferencias en las respuestas electrofisiológicas entre los dos. informaron los investigadores. La nueva capacidad de estudiar animales pequeños durante períodos prolongados ayudará a probar la eficacia de los fármacos. "Lo que podemos hacer, por primera vez, es observar la actividad eléctrica durante un largo período de tiempo y descubrir patrones de comportamiento interesantes, "Dijo Robinson.
Algunos gusanos se estudiaron durante hasta una hora, y otros se probaron en varios días, dijo el autor principal Daniel Gonzales, un estudiante graduado de Rice en el laboratorio de Robinson que se encargó de criar nematodos a través de los dispositivos de microfluidos.
"De alguna manera fue más fácil que trabajar con células aisladas porque los gusanos son más grandes y bastante resistentes, "Dijo Gonzales." Con celdas, si hay demasiada presión, ellos mueren. Si chocan contra una pared, ellos mueren. Pero los gusanos son realmente resistentes, así que solo era cuestión de ponerlos en contacto con los electrodos y mantenerlos allí ".
El equipo construyó matrices de microfluidos con múltiples canales que permitieron probar muchos nematodos a la vez. En comparación con las técnicas de sujeción por parche que limitan a los laboratorios a estudiar aproximadamente un animal por hora, Robinson dijo que su equipo midió hasta 16 nematodos por hora.
"Debido a que se trata de una tecnología basada en silicio, hacer arreglos y producir cámaras de grabación en grandes cantidades se convierte en una posibilidad real, " él dijo.
