Бионика»- это слово образовано от cочетания двух слов: биология и электроника – сегодня является быстро развивающейся областью исследований возможных путей их соединения, формирования общего интерфейса.
Вообще говоря, существует три уровня биокоммуникаций, где биология и электроника могут соединяться: молекулярный, клеточный и скелетарный. Для любого имплантированного бионического материала именно начальное взаимодействие на биомолекулярном уровне будет определять дальнейшие процессы в более долгой перспективе. В то время как бионику часто связывают с усовершенствованиями на скелетарном уровне, интерес представляют процессы взаимодейтвия на уровне живых клеток, которые определяют возможность инжиниринга тканей или функционирования имплантов, таких, например, как бионическое ухо или глаз. Пионеры в бионике, такие как Петер Фромхерц (Peter Fromhertz) из Института Биохимии Макса Планка (Max Plank Institute of Biochemistry) в Германии, работают более 20 лет над проблемой интерфейса между нейронами и силиконовыми имплантами. Они экспериментируют с отдельными нейронами из различных участков мозга, культивируют их и пытаются создать реальные нейронные сети. Целью таких исследований является стимулирование нейрона электрическими сигналами и определение реакции живой нейронной сети на этот сигнал и изменений, которые эта реакция вызывает в сети. Эти исследования могут привести к ценным результатам в нашем понимании того, как работает нейронная система, как эта сеть изменяет свою структуру во время фазы обучения, каковы правила, регулирующие поведение нейронной системы. Анализ электро-физиологической деятельности нейронов может в один прекрасный день привести к созданию искусственных протезов для обхода пораженных участков мозга и восстановления его функций или созданию инструментов невро-диагностики дла определения реакции биологических нейронов на определенные химические вещества или новые лекарства.
Серьезный шаг в этом направлении сделан другими европейскими исследователями, которые продемонстрировали возможность интегрирования живых нервных клеток с тонкой пленкой органического полупроводника, состоящей из нескольких монослоев пентацена. Эти результаты являются многообещающими для разработки преобразователей на основе органических полевых транзисторов из сверх-тонких пленок, которые могут быть использованы для наблюдений в реальном масштабе времени за биологической активностью на уровне взаимосвязанных живых клеток. Мониторинг электрических и химических сигналов внутри нервной системы является фундаментальной проблемой нейро-науки. Внеклеточные электроды могут зарегистрировать активность сети, но разрешение слишком низко для регистрации сигналов от отдельных клеток или единичных химических событий. Метод локальной фиксации потенциала, широко используемый в настоящее время высоко чувствительный метод определения реакций отдельных клеток, который позволяет проводить исследования в организме (in vivo) или в контрольной среде (in vitro), недостаточно гибок и не дает возможности маневра в эксперименте- например масштабирования — изменения числа регистрируемых клеток ни в сторону увеличения, ни в сторону их уменьшения.
Недавно предложенный научный подход, который мало возмущает исследуемую клеточную среду, заключается в соединении нейронов с неорганическими полупроводниковыми устройствами, такими, например, как полевые транзисторы. Хотя такой метод позволил получить крайне интересные результаты с небольшими нейронными системами, он тем не менее имеет низкую чувствительность и большие проблемы с подготовкой поверхности к соединению с нейронами. Сравнительно недавно было предложено использовать кремниевую нано проволоку для измерения параметров реакций на аксонных мембранах. Такие устройства, обладающие низким объемным зарядом, кажутся многообещающими для повышения чувствительности. Другой из известных научных подходов -попытки соединить и выращивать нейроны на подготовленных для этого углеродных нанотрубках, имеет те же цели и эксперименты уже были признаны удачными.
Результаты обсуждаемой работы, проводимой в Исследовательском Институте Наноструктурированных материалов (Institute for the Study of Nanostructured Materials (СNR)) в Болонье, Италия, показывают возможность соединения органических полупроводников и живых клеток. Группа под руководством доктора Фабио Бискарини (Dr. Fabio Biscarini), получила основные результаты в тесном сотрудничестве с венгерскими (Laboratory of Cellular and Developmental Neurobiology Академии Наук Венгрии) и германскими учеными (Center for NanoScience (CeNS) Мюнхенского Университета), которые только что были опубликованы в журнале Advanced Functional Materials, 2008 Volume 18 Issue 12, Pages 1751 – 1756 («Neural Networks Grown on Organic Semiconductors»). Электронную версию можно посмотреть здесь: http://www3.interscience.wiley.com/…445/abstract?….
Результаты международной группы ученых настолько значительны и важны, что это только первая из серии статей, которые планируется опубликовать в ближайшие месяцы. Исследователи отмечают, что в самом начале проекта было совершенно не очевидно, что клетки смогут жить на молекулярно-тонких (толщиной в несколько молекул) полупроводниковых пленках.
Сопряженные молекулы очень часто бывают мутагенными или токсичными и, в дополнение к этому, силы сопротивления, возникающие в клетках, присоединяемых к «мягкой» поверхности, могут разрушить их, как отмечают ученые. Этого не случилось в наших экспериментах, и мы показали, что стволовые клетки могут быть «прилеплены» к пленке пентацена- одного из наиболее подходящих органических полупроводников. Эти клетки способны к росту на поверхности полупроводника и, оставаясь жизнеспособными в продолжение многих дней, в конце концов разделяются на нейроны и соединительные (не-нейронные) клетки. Наши эксперименты с очевидностью показывают, что органические электронные материалы могут напрямую контактировать с живыми клетками и при этом не возникает серьезных проблем. Существует много видов органических полупроводников, которые могут быть проверены экспериментально на биологическую совместимость.
a) Изображение выделенного нейрона, производного от NE-4C-нейрона, полученное с помощью атомного силового микроскопа; в) увеличенное изображение показывает, что морфология тонкой пленки пентацена не нарушена и не изменена при взаимодействии с клеткой; c) то же самое изображение, что b) при иной фокусировке микроскопа для демонстрации морфологии аксона (вставка показывает неизмененную пленку пентацена из b).
Несмотря на схожесть, органические транзисторы отличаются от кремниевых. В органическом транзисторе носители заряда перемещаются в пределах нескольких монослоев органического полупроводника. Делая слой органического полупроводника очень тонким (3—5 нм, вот почему их и называют сверх-тонкими пленочными транзисторами), добиваются того, что носители заряда могут взаимодействовать с внешней средой, например, средой, содержащей биомолекулы или клетки в питательном растворе. Такой эффект близости, благодаря соединению, усиливает изменения в параметрах транзистора без необходимости в пассивационном слое. Было совершенно не очевидно, что органические полупроводники выдержат присутствие воды, содержащей электролиты. Эксперименты группы д-ра Бискарини показали, что это возможно, и этот результат открывает путь для исследования биологических систем деликатным образом, без внедрения в них.
В самое ближайшее время группа планирует поставить серию экспериментов по изучению медленной динамики процессов скопления протеинов, денатурации и простого перемещения крупных биомолекул. В дальнейшем будут поставлены эксперименты по передаче и преобразованию электрических и химических сигналов от живых клеток, связанных в единую нейронную сеть, в электрические сигналы полевого транзистора на органических полупроводниках. Важно не только научиться преобразовывать сигнал, важно научиться распознавать его и затем разработать новый тип датчика сигнала, что довольно сложная задача на данном этапе исследований.
Результаты обсуждаемых экспериментов могут быть применены для разработки простых в изготовлении биосовместимых биосенсоров, испытания которых планируется провести в экспериментальной среде (in vitro). Органоэлектроника и в этом случае оказывается незаменимой- она легко изготавливается в формах адаптированных под различную кривизну, что важно во многих местах живых организмов.
Группы СNR и CeNS сотрудничают в рамках европейсого научного проекта BIODOT (http://www.bo.ismn.cnr.it/…ot/index.php?…), программа которого нацелена на создание гибридной био-органической технологии для исследования динамических явлений in vitro. Одной из практических целей программы является разработка методов распознавания и определения болезней, деформирующих нервную систему. Датчик, который должен быть при этом разработан, поможет в дальнейшем исследовании введения в организм и распределения лечебных препаратов, применяемых в локальной терапии, что может оказаться исключительно важным для раннего распознавания болезни и ее лечения. Первая фаза проекта BIODOT заканчивается в октябре 2009 года.
|
