Lange Herausforderungen in der biomedizinischen Forschung wie die Überwachung der Gehirnchemie und die Verfolgung der Ausbreitung von Medikamenten im Körper erfordern viel kleinere und präzisere Sensoren. Ein neuer nanoskaliger Sensor, der Bereiche überwachen kann, die 1.000-mal kleiner sind als die derzeitige Technologie, und subtile Veränderungen im chemischen Inhalt von biologischem Gewebe mit einer Auflösung von weniger als einer Sekunde verfolgen kann, was Standardtechnologien deutlich übertrifft.
Das von Forschern der University of Illinois Urbana-Champaign entwickelte Gerät basiert auf Silizium und nutzt Techniken, die für die Herstellung von Mikroelektronik entwickelt wurden. Die geringe Gerätegröße ermöglicht es, chemische Inhalte mit nahezu 100-prozentiger Effizienz aus stark lokalisierten Geweberegionen in Sekundenbruchteilen zu sammeln. Die Fähigkeiten dieses neuen Nanodialysegeräts sind gemeldet im Tagebuch ACS Nano.
„Mit unserem Nanodialysegerät nehmen wir eine etablierte Technik und treiben sie auf ein neues Extrem, wodurch biomedizinische Forschungsprobleme, die vorher unmöglich waren, jetzt durchaus machbar sind“, sagte Yurii Vlasov, Professor für Elektro- und Computertechnik an der University of I. und Co -Leitung der Studie. „Da unsere Geräte außerdem mithilfe mikroelektronischer Fertigungstechniken auf Silizium hergestellt werden, können sie in großem Maßstab hergestellt und eingesetzt werden.“
Von der Mikro- bis zur Nanodialyse
Die Nanodialyse basiert auf einer Technik namens Mikrodialyse, bei der eine Sonde mit einer dünnen Membran in biologisches Gewebe eingeführt wird. Chemikalien gelangen durch die Membran in eine Flüssigkeit, die zur Analyse abgepumpt wird. Die Möglichkeit, Gewebeproben direkt zu entnehmen, hat in Bereichen wie Neurowissenschaften, Pharmakologie und Dermatologie große Auswirkungen gehabt.
Allerdings weist die herkömmliche Mikrodialyse ihre Grenzen auf. Die Sonden nehmen Proben auf einer Fläche von wenigen Quadratmillimetern auf, sodass sie nur die durchschnittliche Zusammensetzung über relativ große Bereiche im Gewebe messen können. Die große Größe führt auch zu einer gewissen Gewebeschädigung beim Einführen der Sonde, was möglicherweise zu einer Verfälschung der Analyseergebnisse führt. Schließlich fließt die durch die Sonde gepumpte Flüssigkeit mit einer vergleichsweise hohen Geschwindigkeit, was sich auf die Effizienz und Genauigkeit auswirkt, mit der chemische Konzentrationen abgelesen werden können.
„Viele Probleme der herkömmlichen Mikrodialyse können durch die Verwendung eines viel kleineren Geräts gelöst werden“, sagte Wlassow. „Mit der Nanodialyse kleiner zu werden, bedeutet mehr Präzision, weniger Schäden durch die Gewebeplatzierung, eine chemische Kartierung des Gewebes mit höherer räumlicher Auflösung und eine viel schnellere Auslesezeit, die ein detaillierteres Bild der Veränderungen in der Gewebechemie ermöglicht.“
Langsam und stetig
Das wichtigste Merkmal der Nanodialyse ist die extrem langsame Flussrate der durch die Sonde gepumpten Flüssigkeit. Dadurch, dass die Flussrate 1.000-mal langsamer ist als bei der herkömmlichen Mikrodialyse, erfasst das Gerät die chemische Zusammensetzung des Gewebes, das aus einem 1.000-mal kleineren Bereich als bei herkömmlichen Techniken entnommen wird, und behält dabei eine 100-prozentige Effizienz bei.
„Durch die drastische Verringerung der Durchflussrate können die in die Sonde diffundierenden Chemikalien an die Konzentrationen außerhalb des Gewebes angepasst werden“, erklärte Wlassow. „Stellen Sie sich vor, Sie geben Farbstoff in ein Rohr mit fließendem Wasser. Wenn der Durchfluss zu schnell ist, wird der Farbstoff auf schwer nachweisbare Konzentrationen verdünnt. Um eine Verdünnung zu vermeiden, müssen Sie das Wasser fast ganz herunterdrehen.“
Herstellung und Produktion von Silizium
Standardmäßige Mikrodialysegeräte bestehen aus Glassonden und Polymermembranen, was ihre Miniaturisierung zu einer Herausforderung macht. Um für die Nanodialyse geeignete Geräte zu bauen, verwendeten die Forscher Techniken, die für die Herstellung elektronischer Chips entwickelt wurden, um ein Gerät auf Siliziumbasis zu entwickeln.
„Die Siliziumtechnologie ermöglicht es uns nicht nur, kleiner zu werden, sondern macht die Geräte auch billiger“, sagte Wlassow. „Indem wir Zeit und Mühe investieren, um einen Herstellungsprozess für den Aufbau unserer Nanogeräte auf Silizium zu entwickeln, ist es jetzt sehr einfach, sie im industriellen Maßstab zu unglaublich niedrigen Kosten herzustellen.“
Rashid Bashir, Professor für Bioingenieurwesen an der University of I. und Dekan des Grainger College of Engineering, war Co-Leiter des Projekts.
Mehr Informationen:
Insu Park et al., Hochgradig lokalisierte chemische Probenahme mit einer zeitlichen Auflösung von weniger als einer Sekunde, ermöglicht durch eine Silizium-Nanodialyseplattform mit Durchflüssen im Nanoliter pro Minute, ACS Nano (2024). DOI: 10.1021/acsnano.3c09776