공액 고분자에 의해 세포를 전기적 활동을 생활의 광 제어
Summary
A method for stimulation of in-vitro cell cultures electrical activity with visible light, based on the use of organic semiconducting polymers is described.
Abstract
Hybrid interfaces between organic semiconductors and living tissues represent a new tool for in-vitro and in-vivo applications. In particular, conjugated polymers display several optimal properties as substrates for biological systems, such as good biocompatibility, excellent mechanical properties, cheap and easy processing technology, and possibility of deposition on light, thin and flexible substrates. These materials have been employed for cellular interfaces like neural probes, transistors for excitation and recording of neural activity, biosensors and actuators for drug release. Recent experiments have also demonstrated the possibility to use conjugated polymers for all-optical modulation of the electrical activity of cells. Several in-vitro study cases have been reported, including primary neuronal networks, astrocytes and secondary line cells. Moreover, signal photo-transduction mediated by organic polymers has been shown to restore light sensitivity in degenerated retinas, suggesting that these devices may be used for artificial retinal prosthesis in the future. All in all, light sensitive conjugated polymers represent a new approach for optical modulation of cellular activity.
In this work, all the steps required to fabricate a bio-polymer interface for optical excitation of living cells are described. The function of the active interface is to transduce the light stimulus into a modulation of the cell membrane potential. As a study case, useful for in-vitro studies, a polythiophene thin film is used as the functional, light absorbing layer, and Human Embryonic Kidney (HEK-293) cells are employed as the biological component of the interface. Practical examples of successful control of the cell membrane potential upon stimulation with light pulses of different duration are provided. In particular, it is shown that both depolarizing and hyperpolarizing effects on the cell membrane can be achieved depending on the duration of the light stimulus. The reported protocol is of general validity and can be straightforwardly extended to other biological preparations.
Introduction
정확한 공간 및 시간 해상도를 갖는 세포 활성을 조작 할 가능성이 신경 과학 연구 및 신경 및 정신 장애의 치료에있어서 중요한 방법을 나타낸다. (1) 전통적인 방법은 근접 또는 접촉 위치 된 전극을 이용하여 세포의 전기 자극에 기초 (생체 내 뇌 조직, 단일 셀, 셀룰러 네트워크, 뇌 조각) 다른 복잡성이 될 수있는 대상 시스템, 2. 과거 세기 동안에는, 패치 클램프, 금속 기판 전극 일체형의 사용은 생리학 및 단일 뉴런 및 신경 네트워크의 작동 메커니즘의 병태 생리의 상세한 그림을 제공했다. 그러나, 전기 자극은 중요한 제한에서 겪고있다. 첫번째 인해 쉽게 적응 될 수없는 고정 된 전극 및 그들의 형상의 물리적 치수에 일반적으로 열악한 공간 분해능에 관한 것이다생체 조직 같은 복잡한 조직 시스템. 또한, 전극 임피던스 자극 및 기록 시스템 사이의 크로스 토크 (cross-talk)의 관련 문제는 측정의 최종 신호 대 잡음비를 저하 할 수있다. (3) 한편, 자극 광의 사용은 많은 한계를 극복하는 데 도움이 될 전기 접근. 우선, 그것이 가능한 특정 세포 유형 또는 서브 셀 구획을 대상으로 만들고, 전례없는 공간 (<1 ㎛) 및 시간 해상도 (<1 밀리 초)를 제공한다. 그것은 관심의 조직과 물리적 접촉을 방지하고 녹화에서 자극을 disentangles 때문에 또한 그것은 매우 비 침습적이다. 또한, 광 강도와 파장 모두 정확하게 조절 될 수 있고, 따라서 다양한 자극 프로토콜을 적용 할 수있다. 3,4
그러나 동물 세포의 대부분은 광에 특정 감도를 제시하지 않는다. 광학 stimulatio을위한 몇 가지 전략N 따라서, 어느 근처 또는 셀들 내에 감광 분자 매개체를 이용하거나, 상기 셀에 가까운 외부에 배치 된 광활성 소자를 이용하는 제안되어있다. 전 카테고리가 표시 또는 적외선 (IR) 등을 통해 자극뿐만 아니라, 광분해 / 광 이성화 화합물 또는 감광성 고분자 액추에이터 (optogenetics)의 유전 적 표현 중 하나를 사용하는 등의 내생 적 메커니즘을 의미한다. 후자의 클래스는 무기 나노 / 마이크로 입자 또는 감광 실리콘 기판의 사용에 의해 달성 외인성 자극하기위한 기술을 포함한다. 5 역시, 이러한 모든 시스템들은 밝은 측면과 단점이있다. 특히, 가시 범위에서 세포의 내인성 흡수 약하고을 안정적이며, 반응성 산소 종의 발생을 수반하는 세포에 유해 할 수있다. 일반적으로, IR은 흡습에 의한 로컬 열 유도 가열을 위해 사용되지만, 물 흡광 계수는 따라서 성을 필요로하는 작고표준 현미경 광학을 통해 제공 할 및 생체 응용 프로그램에 대한 안전 문제를 일으킬 수 어렵다 (수십에서 W / mm 2의 수백) 룽 적외선. 한편, 광 스위칭 caging 화합물은 시간 제한 동작을 종종 인해 제한된 조직 침투를 제공하기 어렵다 UV 광을 필요로한다. 또한 그들은 조명 영역 외부 광분해에 따라 활성화 된 화합물의 확산 문제를 겪고 있습니다. 마지막으로, optogenetic 도구는 특정 세포 모집단 및 하위 구획을 대상으로 과학자를 허용하고 신속하게 신경 과학적 연구의 핵심 기술 중 하나로 부상하고있다. 그러나, 바이러스 성 벡터를 통해 외래 DNA 세그먼트를 삽입하는 것은 특히 인간 환자에 채택의 관점에서, 중요한 안전 문제를 제기한다. 이러한 이유로 5, 6, 세포 광학 조작 할 수있는 새로운 재료와 장치에 대한 연구는 매우 뜨거운 주제입니다.
최근, 새로운효율적으로 세포의 전기적 활성도 조절에 광 자극 형질 도입 할 감광 공액 폴리머의 사용에 기초한 접근법이 제안되었다. 7 그들은, 생체 적합성 부드럽고 컨 포멀하고 기계적 유연성은 조직과 친밀한 인터페이스를 할 수 있습니다, 그들은 가시 광선 영역에서 빛을 본질적으로 구분 : 폴리머 광 여기에 의한 세포 자극 (CSPP는) 기술은 전형적인 유기 반도체의 많은 주요-수 있도록 기능을 이용 시험관 내 및 생체 8-10 둘. 그 외에도, 그들은 쉽게 더 나은 프로빙과 능력을 감지, 특정 여기 수 있도록 살아있는 세포와 인터페이스에 적응하고 작용 될 수있다. (11, 12)는 또한, 그들은 조합에 이상적, 이온 수송뿐만 아니라 전자 지원 전자 광고 생물학. 흥미롭게 13,14, 이들은 외부 바이어스 F를 적용 할 필요가 없도록, 광전지 모드에서 작업 할또는 효율적인 세포 광 자극. (15)
CSPP 기술의 신뢰도는 이전 차 뉴런 15,16 아스트로 17 이차 전지 라인 (18) 및 이식 된 망막 조직을 포함하여, 몇몇 시스템에서 입증되었다.이 연구에서 16 필요한 단계는 감광 바이오 폴리머를 제조하는데 시험관 시스템의 광 자극에 대한 인터페이스 (19)가 상세하게 설명된다. 역할을 전자 공여체로서 기능 연구의 경우, 지역과 일반 폴리 (3- 헥 실티 오펜)의 전형적인 유기 PV 블렌드 (RR-P3HT), 및 페닐 C61 – 뷰티 산 메틸 에스테르 (PCBM)뿐만 전자 수용체가 사용된다. 생물학적 시스템으로, 인간 배아 신장 (HEK-293) 세포를 사용한다. 전기 생리 학적 측정을 통해 세포 활동의 상대적으로 기록 photostimulation 프로토콜의 예를 제공한다.
기술 플랫폼그러나 일반적으로 유효하며, 용이하게 적절히 세포 배양 프로토콜 변경 요청 절차와 시간을 도금함으로써, 서로 다른 세포 유형 ((제대로 용액 제조 방법 및 증착 변수를 조정함으로써) 다른 공액 중합체의 용도로 확장 될 수있다 세포 파종 및 확산) 및 다른 자극 프로토콜 (빛의 파장, 자극 빈도 및 기간, 광 여기 밀도)를 참조하십시오.
Protocol
Representative Results
Discussion
셀의 광 자극이 주로 감광성 중합체의 선택, 열 살균 파라미터, 광 강도와 자극 시간 염려 체외 대한보고 프로토콜의 중요한 단계. P3HT : 그것은 좋은 시간과 전기 화학적 안정성을 보장하기 때문에 PCBM 박막, 여기에 선정되었다. 그러나, 하나는 모든 감광성 중합체는 조명에보다 구체적으로, (22)를 아날로그 성능을 제공 할 수 있음을 주목해야한다. 또한,이 때의 파라미터는 중합체 ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The work was supported by EU through project FP7-PEOPLE-212-ITN 316832-OLIMPIA,
Telethon – Italy (grants GGP12033 and GGP14022), Fondazione Cariplo (grant ID 2013-0738).
Materials
| rr-P3HT | Sigma Aldrich | 698989-5G | |
| ITO-coated substrates | Nano-CS | IT10300100 | |
| Fibronectin | Sigma Aldrich | F1141 | |
| chlorobenzene | Sigma Aldrich | 319996 | |
| PCBM | Nano-C | Nano-CPCBM-BF | |
| acetone | Sigma Aldrich | 270725 | |
| isopropyl alcohol | Sigma Aldrich | 563935 | |
| HEK cells | LGC standards srl | ATCC-CRL-1573 | |
| HEPES | Sigma Aldrich | H0887 | |
| PBS | Sigma Aldrich | P5244 | |
| E-MEM | LGC standards srl | ATCC-30-2003 | |
| EDTA | Sigma Aldrich | E8008- | |
| FBS | LGC standards srl | ATCC-30-2020 |
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