Pequenas antenas sem fio usam luz para monitorar a comunicação celular

Como parte de um dispositivo de biossensores de alta resolução sem fios, as antenas podem ajudar os pesquisadores a decodificar sinais elétricos complexos enviados pelas células.

O monitoramento de sinais elétricos em sistemas biológicos ajuda os cientistas a entender como as células se comunicam, o que pode auxiliar no diagnóstico e tratamento de condições como arritmia e Alzheimer.

Mas dispositivos que registram sinais elétricos em culturas de células e outros ambientes líquidos geralmente usam fios para conectar cada eletrodo no dispositivo ao seu respectivo amplificador. Como apenas alguns fios podem ser conectados ao dispositivo, isso restringe o número de locais de gravação, limitando as informações que podem ser coletadas das células.

Pesquisadores do MIT desenvolveram uma técnica de biossensor que elimina a necessidade de fios. Em vez disso, pequenas antenas sem fio usam luz para detectar sinais elétricos minúsculos.

Pequenas mudanças elétricas no ambiente líquido ao redor alteram como as antenas espalham a luz. Usando uma matriz de pequenas antenas, cada uma das quais tem um centésimo da largura de um fio de cabelo humano, os pesquisadores puderam medir sinais elétricos trocados entre células, com extrema resolução espacial.

Os dispositivos, que são duráveis ​​o suficiente para registrar sinais continuamente por mais de 10 horas, podem ajudar os biólogos a entender como as células se comunicam em resposta a mudanças em seu ambiente. A longo prazo, tais insights científicos podem abrir caminho para avanços no diagnóstico, estimular o desenvolvimento de tratamentos direcionados e permitir mais precisão na avaliação de novas terapias.

“Ser capaz de registrar a atividade elétrica de células com alto rendimento e alta resolução continua sendo um problema real. Precisamos tentar algumas ideias inovadoras e abordagens alternativas”, diz Benoît Desbiolles, um ex-pós-doutorado no MIT Media Lab e autor principal de  um artigo sobre os dispositivos .

Ele é acompanhado no artigo por Jad Hanna, um estudante visitante no Media Lab; o ex-aluno visitante Raphael Ausilio; a ex-pós-doutoranda Marta JI Airaghi Leccardi; Yang Yu, um cientista na Raith America, Inc.; e a autora sênior Deblina Sarkar, a AT&T Career Development Assistant Professor no Media Lab e no MIT Center for Neurobiological Engineering e chefe do Nano-Cybernetic Biotrek Lab. A pesquisa aparece hoje na Science Advances .

“A bioeletricidade é fundamental para o funcionamento das células e de diferentes processos vitais. No entanto, registrar esses sinais elétricos com precisão tem sido desafiador”, diz Sarkar. “As antenas orgânicas de eletrodispersão (OCEANs) que desenvolvemos permitem a gravação de sinais elétricos sem fio com resolução espacial micrométrica de milhares de locais de gravação simultaneamente. Isso pode criar oportunidades sem precedentes para entender a biologia fundamental e a sinalização alterada em estados de doença, bem como para rastrear o efeito de diferentes terapêuticas para permitir novos tratamentos.”

Biossensores com luz

Os pesquisadores se propuseram a projetar um dispositivo de biossensor que não precisasse de fios ou amplificadores. Tal dispositivo seria mais fácil de usar para biólogos que podem não estar familiarizados com instrumentos eletrônicos.

“Nós nos perguntamos se poderíamos fazer um dispositivo que convertesse os sinais elétricos em luz e então usar um microscópio óptico, do tipo que está disponível em todos os laboratórios de biologia, para sondar esses sinais”, diz Desbiolles.

Inicialmente, eles usaram um polímero especial chamado PEDOT:PSS para projetar transdutores em nanoescala que incorporavam pequenos pedaços de filamento de ouro. As nanopartículas de ouro deveriam espalhar a luz — um processo que seria induzido e modulado pelo polímero. Mas os resultados não estavam de acordo com seu modelo teórico.

Os pesquisadores tentaram remover o ouro e, surpreendentemente, os resultados corresponderam muito mais ao modelo.

“Acontece que não estávamos medindo sinais do ouro, mas do próprio polímero. Este foi um resultado muito surpreendente, mas emocionante. Nós construímos sobre essa descoberta para desenvolver antenas orgânicas de eletrodispersão”, ele diz.

As antenas orgânicas de eletrodispersão, ou OCEANs, são compostas de PEDOT:PSS. Este polímero atrai ou repele íons positivos do ambiente líquido ao redor quando há atividade elétrica próxima. Isso modifica sua configuração química e estrutura eletrônica, alterando uma propriedade óptica conhecida como índice de refração, que muda como ele espalha a luz.

Quando os pesquisadores iluminam a antena, a intensidade da luz muda em proporção ao sinal elétrico presente no líquido.

Com milhares ou até milhões de pequenas antenas em uma matriz, cada uma com apenas 1 micrômetro de largura, os pesquisadores podem capturar a luz espalhada com um microscópio óptico e medir sinais elétricos de células com alta resolução. Como cada antena é um sensor independente, os pesquisadores não precisam reunir a contribuição de múltiplas antenas para monitorar sinais elétricos, e é por isso que os OCEANs podem detectar sinais com resolução micrométrica.

Destinadas a  estudos in vitro, as matrizes OCEAN são projetadas para ter células cultivadas diretamente sobre elas e colocadas sob um microscópio óptico para análise.

Antenas “crescendo” em um chip

A chave para os dispositivos é a precisão com que os pesquisadores podem fabricar matrizes nas instalações do MIT.nano.

Eles começam com um substrato de vidro e depositam camadas de material condutor e depois isolante no topo, cada uma das quais é opticamente transparente. Então, eles usam um feixe de íons focado para cortar centenas de furos em nanoescala nas camadas superiores do dispositivo. Esse tipo especial de feixe de íons focado permite nanofabricação de alto rendimento.

“Este instrumento é basicamente como uma caneta onde você pode gravar qualquer coisa com uma resolução de 10 nanômetros”, diz ele.

Eles submergem o chip em uma solução que contém os blocos de construção precursores para o polímero. Ao aplicar uma corrente elétrica à solução, esse material precursor é atraído para os pequenos buracos no chip, e antenas em formato de cogumelo “crescem” de baixo para cima.

Todo o processo de fabricação é relativamente rápido, e os pesquisadores podem usar essa técnica para fazer um chip com milhões de antenas.

“Essa técnica poderia ser facilmente adaptada para ser totalmente escalável. O fator limitante é quantas antenas podemos obter imagens ao mesmo tempo”, ele diz.

Os pesquisadores otimizaram as dimensões das antenas e ajustaram os parâmetros, o que permitiu que eles alcançassem sensibilidade alta o suficiente para monitorar sinais com voltagens tão baixas quanto 2,5 milivolts em experimentos simulados. Os sinais enviados pelos neurônios para comunicação são geralmente em torno de 100 milivolts.

“Como dedicamos um tempo para realmente nos aprofundar e entender o modelo teórico por trás desse processo, podemos maximizar a sensibilidade das antenas”, diz ele.

Os OCEANs também responderam a sinais de mudança em apenas alguns milissegundos, permitindo que eles gravassem sinais elétricos com cinética rápida. Seguindo em frente, os pesquisadores querem testar os dispositivos com culturas de células reais. Eles também querem remodelar as antenas para que possam penetrar nas membranas celulares, permitindo uma detecção de sinal mais precisa.

Além disso, eles querem estudar como os OCEANs podem ser integrados em dispositivos nanofotônicos, que manipulam a luz na nanoescala para sensores e dispositivos ópticos de última geração.

Esta pesquisa é financiada, em parte, pelos Institutos Nacionais de Saúde dos EUA e pela Fundação Nacional de Ciências da Suíça. A pesquisa relatada neste press release foi apoiada pelo Instituto Nacional do Coração, Pulmão e Sangue (NHLBI) dos Institutos Nacionais de Saúde e não representa necessariamente as opiniões oficiais do NIH.