Технология времен асов Первой мировой помогла открыть новое клеточное поведение

Исследователи из Массачусетского университета в Амхерсте создали новую технологию, вдохновленную синхронизацией пулемета и пропеллера истребителей Первой мировой войны. Она позволяет манипулировать поведением клеток, точно модулируя pH окружающей их среды в реальном времени. Как описано в Nano Letters, это открывает новые пути для создания терапий против рака и болезней сердца, а также расширяет область тканевой инженерии.

"Каждая клетка чувствительна к pH", — объясняет Цзиньлэй Пин, доцент кафедры машиностроения и промышленной инженерии и автор-корреспондент исследования. "Поведение и функции клеток сильно зависят от pH. Некоторые клетки теряют жизнеспособность при определенном уровне pH, а у других pH может изменять физиологические свойства".

Ранее было показано, что изменения pH всего на 0.1 единицу могут оказывать физиологически значимое воздействие на клетки.

Однако изучать прямое влияние изменений pH было сложно, потому что существующие методы изменения клеточной среды медленны и основаны на диффузии. "Как конкретная клетка реагирует на изменение pH в реальном времени — это неизвестно", — говорит Пин.

Было установлено, что pH можно манипулировать с помощью микроэлектрода, что дало основу для разработки. Но одновременное измерение изменения pH создало новую проблему: графеновый транзистор для измерения pH также чувствителен к току от микроэлектрода, модулирующего pH. "Таким образом, ток, который вы измеряете, не специфичен для pH", — говорит Пин.

Именно здесь Пин вдохновился синхронизацией пулемета и пропеллера истребителя. Пулеметы расположены за пропеллером, и нужно стрелять, не попав в него. Решение — синхронизировать стрельбу с вращением пропеллера, чтобы выстрелы происходили только в момент, когда лопасти не закрывают ствол.

Команда Пина создала аналогичный "зазор", на мгновение отключая ток, изменяющий pH. Этот "зазор" длиной в миллисекунды достаточно велик, чтобы транзистор мог точно измерить pH без помех от тока микроэлектрода, но достаточно мал, чтобы pH не успел вернуться к норме.

Их устройство смогло манипулировать pH с разрешением 0.1 единицы, что значительно превосходит предыдущие попытки на основе электродов с разрешением лишь 0.6 единицы.

Устройство протестировали на бактериях (Bacillus subtilis) и клетках сердца. Оказалось, что подвижность бактерий снижается по мере того, как среда становится более щелочной. По сравнению с обычными методами, новый метод был эффективнее: для получения 9 точек данных потребовался один образец и около 9 минут, в то время как обычный метод занял 2 часа для сбора 13 точек данных, каждая из которых требовала отдельного образца.

Также обнаружили, что при снижении pH среды с нейтрального (7) до кислого (около 4) кардиомиоциты удваивали частоту сердечных сокращений. Это подчеркивает потенциал устройства для углубления научного понимания связи между метаболическим ацидозом (когда организм слишком кислый) и тахикардией (состояние, при котором сердце бьется слишком быстро), а также для решения важных вопросов в кардиологической терапии.

"Это открывает двери, решает техническую задачу и порождает множество вопросов "а что, если..." у ученых", — говорит Пин. "Я не скажу, что мы ответили на какие-то из этих долгосрочных вопросов, но мы предоставляем инструмент, чтобы на них ответить".

Пин предполагает, что эту технологию можно применять в биоэлектронике, тканевой инженерии, терапии опухолей и регенеративной медицине.