Исследователи из Медиа-лаборатории Массачусетского технологического института (MIT) в США разработали миниатюрную антенну, которая может работать без проводов внутри живой клетки, открывая новые возможности в медицинской диагностике и лечении. Об этом сообщает портал Nanowerk. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
«Самый захватывающий аспект этого исследования заключается в том, что мы можем создавать роботизированные устройства в клеточном масштабе. И за счет этого – задействовать все преимущества информационных технологий на уровне клеток, ключевых строительных блоков в биологии», – отметила Деблина Саркар, доцент MIT и руководитель лаборатории нано-кибернетики Biotrek.
Технология, названная исследователями Cell Rover, представляет собой первую демонстрацию антенны, которая может работать внутри клетки и совместима с трехмерными биологическими системами. Типичные биоэлектронные интерфейсы, по словам Саркар, имеют размеры в миллиметры или даже сантиметры и не только очень инвазивны, но и не обеспечивают функционала, необходимого для беспроводного взаимодействия с отдельными клетками, особенно если учесть, что изменения даже в одной клетке могут повлиять на весь организм.
Это связано с тем, что обычные антенны должны быть сопоставимы по размеру с длиной волны электромагнитных волн, которые они передают и принимают. Такие длины волн зачастую весьма велики – они рассчитываются как скорость света, деленная на частоту волны. В то же время увеличение частоты для уменьшения этого соотношения (и соответственно размера антенны) контрпродуктивно, поскольку высокие частоты выделяют тепло, повреждающее живые ткани.
Антенна, разработанная MIT, преобразует электромагнитные волны в акустические -длина волны которых на пять порядков меньше, чем у электромагнитных волн, поскольку соответствует скорости звука, деленной на частоту волны. Поэтому такая антенна оказалась способной быть по размерам намного меньше обычной клетки. В исследовании группы ооцитов устройство занимало менее 0,05% объема изучаемых клеток.
Преобразование электромагнитных волн в акустические было достигнуто путем изготовления антенн с использованием материала, называемого магнитострикционным. Когда к антенне прикладывается магнитное поле, питающее и активирующее ее, магнитные домены в магнитострикционном материале выравниваются с полем, создавая напряжение, подобно тому, как металлические кусочки, вплетенные в кусок ткани, могут реагировать на сильный магнит, заставляя ткань деформироваться.
Когда к антенне прикладывается переменное магнитное поле, переменная деформация и напряжение (давление), возникающие в материале, создают акустические волны в антенне, пояснил Баджу Джой, специалист лаборатории Саркар и ведущий автор разработки.
По словам Саркар, сконфигурированная таким образом антенна может использоваться для изучения того, как происходят естественные внутриклеточные процессы. Вместо того, чтобы разрушать клетки для исследования их цитоплазмы, как это обычно делается, Cell Rover может отслеживать развитие или деление клетки, обнаруживая различные химические вещества и биомолекулы, такие как ферменты, или физические изменения, такие как клеточное давление, притом в режиме реального времени и в естественных условиях.
Технологию можно широко использовать в медицине – для обнаружения и мониторинга биохимических и электрических изменений, связанных с болезнью, по мере ее прогрессирования в отдельных клетках. Примененная в области открытия лекарств, эта технология может пролить свет на реакцию живых клеток на различные лекарства. Это открывает беспрецедентные возможности для чрезвычайно точной диагностики, терапии фармакологии, а также создает новое направление на стыке биологии и электронных устройств.