Konjuge Polimerler tarafından Hücreler Elektrik Etkinliği Yaşam Optik Kontrol
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
Hassas bir uzaysal ve zamansal çözünürlüğe sahip hücre aktivitesini işlemek için bir olasılık sinirbilimsel araştırma ve nörolojik ve psikiyatrik bozuklukların tedavisinde çok önemli bir strateji temsil eder. 1 geleneksel metotlar çevresinde veya temas sağlayacak şekilde yerleştirilmiş elektrotlar kullanılarak hücrelerin elektrik stimülasyonu dayanmaktadır (in vivo beyin dokularında, tek hücre, hücresel şebeke, beyin dilimleri) farklı karmaşıklık olabilir hedeflenen sistem, 2. Geçtiğimiz yüzyılda, yama-kelepçe, metal ve yüzey entegre elektrotların kullanılması fizyolojisi ve tek nöronların ve sinir ağları işleyişi mekanizmalarının patofizyolojisi detaylı bir resmini sağladı. Ancak, elektriksel uyarım önemli sınırlamalar muzdarip. İlki nedeniyle kolayca adapte olamaz elektrotlar ve sabit geometri fiziksel boyutlar, bir genellikle kötü uzamsal çözünürlük ile ilgilidirBiyolojik dokuların gibi karmaşık organize sistemlere. Ayrıca, elektrotlar empedansına ve stimülasyon ve kayıt sistemler arasında çapraz konuşma ile ilgili sorunlar ölçümlerinin son sinyal-gürültü oranını etkileyebilir. 3 Öte yandan, stimülasyon için ışık kullanılması bir çok sınırlamalar üstesinden gelmeye yardımcı olabilir Elektrik yaklaşım. Her şeyden önce, bu mümkün, belirli hücre tipleri ve hatta alt-hücre bölmeleri hedef yapım görülmemiş uzaysal (<1 mikron) ve temporal çözünürlük (<1 msn) sunmaktadır. Bu ilgi doku ile herhangi bir fiziksel temas önler ve kayıttan stimülasyon disentangles beri ek olarak oldukça non-invaziv olduğunu. Ayrıca, ışık yoğunluğu ve dalga boyu, hem tam olarak kontrol edilebilir ve bu şekilde, farklı stimülasyon protokolleri uygulanabilir. 3,4
Bununla birlikte, hayvan hücrelerinin büyük bir çoğunluğu ışığa herhangi bir hassasiyet göstermezler. Optik stimulatio için çeşitli stratejilern, böylece, her iki yakın veya hücre içinde, ışığa duyarlı bir molekül mediatörler istismar veya hücre yakınında harici olarak yerleştirilen fotoaktif cihazı kullanılarak önerilmiştir. Birinci kategori görünür veya kızılötesi (IR) ışık ile uyarılması, hem de photocleavable / photoisomerizable bileşikler ya da ışığa molekül aktüatörler (optogenetics) 'deki genetik ekspresyonu ya da kullanımı gibi endojen mekanizmaları belirtmektedir. Bu ikinci tür inorganik nano / mikro-parçacıklar ya da foto-iletken silikon alt tabakaların kullanılması ile elde edilen dışsal uyan tekniklerini içerir. 5 Bununla birlikte tüm bu sistemler, parlak taraf ve dezavantajları vardır. Özellikle, görünür aralığında hücrelerin endojen emme, zayıf ve güvenilir değildir ve reaktif oksijen türlerinin üretimi eşlik hücre için zararlı olabilir. Genel olarak, İR nedeniyle su emme yerel termal ısıtma indüklemek için kullanılır, ancak suyun yok olma katsayısı dolayısıyla st gerektiren küçük,Standart mikroskop optik aracılığıyla teslim etmek ve in-vivo uygulamalar için güvenlik endişeleri oluşturabilecek zordur (onlarca W / mm 2 yüzlerce) rong kızılötesi ışık. Diğer taraftan, foto-değiştirilebilir kafes bileşikleri süresi sınırlı bir etkiye sahip olduğu ve çoğu zaman, sınırlı doku penetrasyonu sunmak için çok UV ışığı gerektirir. Ayrıca onlar aydınlatılmış alanı dışında photolysis üzerine aktive bileşiklerin difüzyon sorunları muzdarip. Son olarak, optogenetic araçları belirli hücresel subpopülasyonu ve alt bölmeleri hedef bilim adamları izin ve hızla sinirbilimsel araştırma anahtar teknolojilerden biri olarak ortaya çıkmaktadır. Ancak, viral vektör yoluyla eksojen DNA segmentini ekleyerek özellikle insan hastalarda benimsenmesi açısından önemli güvenlik sorunlarını ortaya çıkarmaktadır. Bu nedenlerle 5,6, hücre optik manipülasyon yeteneğine sahip yeni malzemeler ve cihazlar üzerinde araştırmalar son derece sıcak bir konudur.
Son yıllarda, yenietkin bir şekilde hücre elektriksel aktivitenin bir modülasyon giren bir optik uyaran transdüse mümkün ışığa duyarlı konjuge polimerlerin kullanımına dayalı bir yaklaşım, ileri sürülmüştür. 7 Onlar, biyouyumlu yumuşak ve uyumlu ve onların mekanik esneklik dokusu ile samimi bir arayüze sağlar; onlar görünür aralığında ışığa özünde duyarlıdır: Polimer Photoexcitation Hücre Stimülasyon (CSPP) tekniği, tipik organik yarı iletkenler birçok anahtar sağlayan özellikleri patlatır in-vitro ve in-vivo olarak her iki 8-10. Bunun dışında, onlar kolayca daha sondalama ve yeteneklerini algılama, belirli uyarma etkinleştirmek için canlı hücreler ile arayüzüne uyum, ve fonksiyonel hale getirilebilir. 11,12 Ayrıca, kombinasyon için idealdir, iyonik ulaşım yanı sıra elektronik destekleyen elektronik reklam biyoloji. İlginçtir 13,14, onlar harici önyargı f uygulamak gerek kalmaz, fotovoltaik modda çalışabilirya da verimli hücre optik uyarım. 15
CSPP tekniğinin güvenilirliği daha önce primer nöron, 15,16 astrositler, 17, ikincil hücre çizgileri 18 ve eksplante retina dokular da dahil olmak üzere, çeşitli sistemlerde ortaya konmuştur. Bu çalışmada 16, gerekli olan bütün aşamalar, ışığa duyarlı bir biyo-polimer imal etmek için in vitro sistemlerin optik uyarılması için bir arayüz 19 detaylı bir şekilde tarif edilmektedir. Olarak hareket eden bir elektron vericisi olarak işlev uygulama durumlarında, bölge normal poli (3-hexylthiophene) içindeki bir prototip organik fotovoltaik harmanı (rr-P3HT), ve fenil-C61-butirik asit-metil ester (PCBM) olarak elektron alıcısı kullanılır. Biyolojik bir sistem olarak, insan embriyonik böbrek (HEK-293) hücreleri kullanılır. Elektrofizyolojik ölçümler yoluyla hücre aktivitesi göreli kayıt ile photostimulation protokolünün bir örneği temin edilmiştir.
Tarif platformuBununla birlikte, genel geçerliliğinin ve kolayca düzgün hücre kültürü protokolü değiştirilmesi istenen işlem ve zamanı kaplama ile, farklı hücre tipleri ((uygun çözelti hazırlama süreci ve çökelme parametrelerini ayarlayarak) diğer birleşik polimerlerin kullanılması uzatılabilir Hücre tohumlama ve çoğalması) ve farklı stimülasyon protokolleri (ışık dalga boyu, uyarı sıklığı ve süresi, photoexcitation yoğunluğu) için.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hücrelerin optik uyarımı esas olarak ışığa duyarlı polimer seçimi, ısıl sterilizasyon parametreleri, yoğunluğu ve ışık uyaranlara süresini ilgilidir in vitro için rapor edilen protokol kritik adım. Bir P3HT: iyi zamansal ve elektrokimyasal stabiliteyi garanti beri PCBM ince film, burada seçildi. Ancak, bir bütün ışığa duyarlı polimerler aydınlatma üzerine daha spesifik, 22 analog performansları sunabilir dikkat etmelidir. Buna ek olarak, bu durumda parametre polimerin op…
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 |
References
- Alivisatos, A. P., et al. Nanotools for Neuroscience and Brain Activity Mapping. ACS Nano. 7 (3), 1850-1866 (2013).
- Spira, M. E., Hai, A. Multi-electrode array technologies for neuroscience and cardiology. Nat. Nanotechnol. 8 (2), 83-94 (2013).
- Scanziani, M., Häusser, M. Electrophysiology in the age of light. Nature. 461 (7266), 930-939 (2009).
- Bareket-Keren, L., Hanein, Y. Novel interfaces for light directed neuronal stimulation: advances and challenges. Int. J. Nanomed. 9 (1), 65-83 (2014).
- Antognazza, M. R., et al. Shedding Light on Living Cells. Adv. Mater. , (2014).
- Martino, N., Ghezzi, D., Benfenati, F., Lanzani, G., Antognazza, M. R. Organic semiconductors for artificial vision. J. Mater. Chem. B. 1 (31), 3768-3780 (2013).
- Antognazza, M. R., Scherf, U., Monti, P., Lanzani, G. Organic-based tristimuli colorimeter. Appl. Phys. Lett. 90 (16), 163509 (2007).
- Liao, C., Zhang, M., Yao, M. Y., Hua, T., Li, L., Yan, F. Flexible Organic Electronics in Biology: Materials and Devices. Adv. Mater. , (2014).
- Khodagholy, D., et al. NeuroGrid: recording action potentials from the surface of the brain. Nat. Neurosci. 18 (2), 310-315 (2015).
- Campana, A., et al. Electrocardiographic Recording with Conformable Organic Electrochemical Transistor Fabricated on Resorbable Bioscaffold. Adv. Mater. 26 (23), 3874-3878 (2014).
- Bonetti, S., et al. A Lysinated Thiophene-Based Semiconductor as a Multifunctional Neural Bioorganic Interface. Adv. Healthc. Mater. , (2015).
- Benfenati, V., et al. A transparent organic transistor structure for bidirectional stimulation and recording of primary neurons. Nat. Mater. 12 (7), 672-680 (2013).
- Rivnay, J., Owens, R. M., Malliaras, G. G. The Rise of Organic Bioelectronics. Chem. Mater. 26 (1), 679-685 (2014).
- Pires, F., et al. Neural stem cell differentiation by electrical stimulation using a cross-linked PEDOT substrate: Expanding the use of biocompatible conjugated conductive polymers for neural tissue engineering. BBA-Gen. Subjects. 1850 (6), 1158-1168 (2015).
- Ghezzi, D., et al. A hybrid bioorganic interface for neuronal photoactivation. Nat. Commun. 2 (166), 1-7 (2011).
- Ghezzi, D., et al. A polymer optoelectronic interface restores light sensitivity in blind rat retinas. Nat. Photonics. 7 (5), 400-406 (2013).
- Benfenati, V., et al. Photostimulation of Whole-Cell Conductance in Primary Rat Neocortical Astrocytes Mediated by Organic Semiconducting Thin Films. Adv. Healthc. Mater. 3 (3), 392-399 (2014).
- Martino, N., et al. Photothermal cellular stimulation in functional bio-polymer interfaces. Sci. Rep. 5 (8911), (2015).
- Antognazza, M. R., Ghezzi, D., Musitelli, D., Garbugli, M., Lanzani, G. A hybrid solid-liquid polymer photodiode for the bioenvironment. Appl. Phys. Lett. 94 (24), 243501 (2009).
- . Essentials of Neuroscience. Patch Clamp Electrophysiology. JoVE Science Education Database. , (2015).
- Scarpa, G., Idzko, A. L., Götz, S., Thalhammer, S. Biocompatibility Studies of Functionalized Regioregular Poly(3-hexylthiophene) Layers for Sensing Applications. Macromol. Biosci. 10 (4), 378-383 (2010).
- Bellani, S., et al. Reversible P3HT/Oxygen Charge Transfer Complex Identification in Thin Films Exposed to Direct Contact with Water. J. Phys. Chem. C. 118 (12), 6291-6299 (2014).
- Wells, J., et al. Optical stimulation of neural tissue in vivo. Opt. Lett. 30 (5), 504-506 (2005).
- Shapiro, M. G., Homma, K., Villarreal, S., Richter, C. P., Bezanilla, F. Infrared light excites cells by changing their electrical capacitance. Nat. Commun. 3 (736), 1-10 (2012).
- Duke, A. R., et al. Transient and selective suppression of neural activity with infrared light. Sci. Rep. 3 (2600), 1-8 (2013).
