Name: silicon nanowires and optical stimulation for investigations of intra- and intercellular electrical coupling
Uploaded: 2021-01-28T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Silicon Nanowires and Optical Stimulation for Investigations of Intra- and Intercellular Electrical Coupling at JoVE.com

ويدعم هذا العمل من قبل مكتب القوات الجوية للبحث العلمي (AFOSR FA9550-18-1-0503).

لضمان الامتثال للمعايير الأخلاقية، تمت الموافقة على جميع الإجراءات الحيوانية المتعلقة بعزل عضلة القلب من قلوب القوارض لأول مرة من قبل لجنة الرعاية والاستخدام الحيوانية المؤسسية بجامعة شيكاغو (IACUC). بالإضافة إلى ذلك، أجريت جميع التجارب الحيوانية وفقاً تماماً لتوجيهات من جامعة شيكاغو IACUC.
<p class="jove_t...

<ol>
	<li>Blackiston, D. J., McLaughlin, K. A., Levin, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bioelectric+controls+of+cell+proliferation:+ion+channels,+membrane+voltage+and+the+cell+cycle.">Bioelectric controls of cell proliferation: ion channels, membrane voltage and the cell cycle.</a> Cell cycle. 8 (21), 3527-3536 (2009).</li><li>Dantzer, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neuroimmune+interactions:+from+the+brain+to+the+immune+system+and+vice+versa.">Neuroimmune interactions: from the brain to the immune system and vice versa.</a> Physiological Reviews. 98 (1), 477-504 (2017).</li><li>Wohleb, E. S., Franklin, T., Iwata, M., Duman, R. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Integrating+neuroimmune+systems+in+the+neurobiology+of+depression.">Integrating neuroimmune systems in the neurobiology of depression.</a> Nature Reviews Neuroscience. 17 (8), 497 (2016).</li><li>Veiga-Fernandes, H., Pachnis, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neuroimmune+regulation+during+intestinal+development+and+homeostasis.">Neuroimmune regulation during intestinal development and homeostasis.</a> Nature Immunology. 18 (2), 116 (2017).</li><li>Sundelacruz, S., Levin, M., Kaplan, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Role+of+membrane+potential+in+the+regulation+of+cell+proliferation+and+differentiation.">Role of membrane potential in the regulation of cell proliferation and differentiation.</a> Stem Cell Reviews and Reports. 5 (3), 231-246 (2009).</li><li>Sakmann, B., Neher, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Patch+clamp+techniques+for+studying+ionic+channels+in+excitable+membranes.">Patch clamp techniques for studying ionic channels in excitable membranes.</a> Annual Reviews Physiology. 46 (1), 455-472 (1984).</li><li>Jayant, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Targeted+intracellular+voltage+recordings+from+dendritic+spines+using+quantum-dot-coated+nanopipettes.">Targeted intracellular voltage recordings from dendritic spines using quantum-dot-coated nanopipettes.</a> Nature Nanotechnology. 12 (4), 335-342 (2017).</li><li>Sakmann, B., Neher, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Patch+clamp+techniques+for+studying+ionic+channels+in+excitable+membranes.">Patch clamp techniques for studying ionic channels in excitable membranes.</a> Annual Review of Physiology. 46 (1), 455-472 (1984).</li><li>Xie, C., Lin, Z., Hanson, L., Cui, Y., Cui, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Intracellular+recording+of+action+potentials+by+nanopillar+electroporation.">Intracellular recording of action potentials by nanopillar electroporation.</a> Nature Nanotechnology. 7 (3), 185-190 (2012).</li><li>Robinson, J. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Vertical+nanowire+electrode+arrays+as+a+scalable+platform+for+intracellular+interfacing+to+neuronal+circuits.">Vertical nanowire electrode arrays as a scalable platform for intracellular interfacing to neuronal circuits.</a> Nature Nanotechnology. 7 (3), 180-184 (2012).</li><li>Fenno, L., Yizhar, O., Deisseroth, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+development+and+application+of+optogenetics.">The development and application of optogenetics.</a> Annual Review of Neuroscience. 34, 389-412 (2011).</li><li>Packer, A. M., Russell, L. E., Dalgleish, H. W., Hausser, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Simultaneous+all-optical+manipulation+and+recording+of+neural+circuit+activity+with+cellular+resolution+in+vivo.">Simultaneous all-optical manipulation and recording of neural circuit activity with cellular resolution in vivo.</a> Nature Methods. 12 (2), 140-146 (2015).</li><li>Rotenberg, M. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Silicon+Nanowires+for+Intracellular+Optical+Interrogation+with+Sub-Cellular+Resolution.">Silicon Nanowires for Intracellular Optical Interrogation with Sub-Cellular Resolution.</a> Nano Letters. 20 (2), 1226-1232 (2020).</li><li>Rotenberg, M. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Living+myofibroblast-silicon+composites+for+probing+electrical+coupling+in+cardiac+systems.">Living myofibroblast-silicon composites for probing electrical coupling in cardiac systems.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences U.S.A. 116 (45), 22531-22539 (2019).</li><li>Zimmerman, J. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cellular+uptake+and+dynamics+of+unlabeled+freestanding+silicon+nanowires.">Cellular uptake and dynamics of unlabeled freestanding silicon nanowires.</a> Science Advances. 2 (12), 1601039 (2016).</li><li>Jiang, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nongenetic+optical+neuromodulation+with+silicon-based+materials.">Nongenetic optical neuromodulation with silicon-based materials.</a> Nature protocols. 14 (5), 1339 (2019).</li><li>. dFoFmovie-CatFullAutoSave.java Available from: <a target="_blank" href="https://gist.github.com/ackman678/11155761">https://gist.github.com/ackman678/11155761</a> (2020)</li><li>Rueden, C. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=ImageJ2:+ImageJ+for+the+next+generation+of+scientific+image+data.">ImageJ2: ImageJ for the next generation of scientific image data.</a> BMC Bioinformatics. 18 (1), 5229 (2017).</li><li>Lee, J. -. H., Zhang, A., You, S. S., Lieber, C. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spontaneous+internalization+of+cell+penetrating+peptide-modified+nanowires+into+primary+neurons.">Spontaneous internalization of cell penetrating peptide-modified nanowires into primary neurons.</a> Nano Letters. 16 (2), 1509-1513 (2016).</li><li>Lozano, O., Torres-Quintanilla, A., Garc&#237;a-Rivas, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanomedicine+for+the+cardiac+myocyte:+where+are+we.">Nanomedicine for the cardiac myocyte: where are we.</a> Journal of Controlled Release. 271, 149-165 (2018).</li><li>Lozano, O., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanoencapsulated+quercetin+improves+cardioprotection+during+hypoxia-reoxygenation+injury+through+preservation+of+mitochondrial+function.">Nanoencapsulated quercetin improves cardioprotection during hypoxia-reoxygenation injury through preservation of mitochondrial function.</a> Oxidative Medicine and Cellular Longevity. 2019, 7683091 (2019).</li><li>Gaudesius, G., Miragoli, M., Thomas, S. P., Rohr, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coupling+of+cardiac+electrical+activity+over+extended+distances+by+fibroblasts+of+cardiac+origin.">Coupling of cardiac electrical activity over extended distances by fibroblasts of cardiac origin.</a> Circulation Researach. 93 (5), 421-428 (2003).</li><li>Klesen, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cardiac+fibroblasts+:+Active+players+in+(atrial)+electrophysiology.">Cardiac fibroblasts : Active players in (atrial) electrophysiology.</a> Herzschrittmacherther Elektrophysiology. 29 (1), 62-69 (2018).</li><li>He, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Long-distance+intercellular+connectivity+between+cardiomyocytes+and+cardiofibroblasts+mediated+by+membrane+nanotubes.">Long-distance intercellular connectivity between cardiomyocytes and cardiofibroblasts mediated by membrane nanotubes.</a> Cardiovascular Research. 92 (1), 39-47 (2011).</li><li>Carvalho-de-Souza, J. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photosensitivity+of+neurons+enabled+by+cell-targeted+gold+nanoparticles.">Photosensitivity of neurons enabled by cell-targeted gold nanoparticles.</a> Neuron. 86 (1), 207-217 (2015).</li><li>Wang, S. -. H., Lee, C. -. W., Chiou, A., Wei, P. -. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Size-dependent+endocytosis+of+gold+nanoparticles+studied+by+three-dimensional+mapping+of+plasmonic+scattering+images.">Size-dependent endocytosis of gold nanoparticles studied by three-dimensional mapping of plasmonic scattering images.</a> Journal of Nanobiotechnology. 8 (1), 33 (2010).</li></ol>

لقد أظهرنا هنا طريقة بسيطة لأداء التحفيز الكهربائي داخل الخلايا للخلايا. في هذه المظاهرة، استخدمنا صناديق الاستثمار المتعددة الأطراف التي كانت سابقة للتهجين مع الـ SiNWs، ثم شاركنا في الثقافة مع CMs. بشكل عام، معظم الخلايا المتكاثرة لديها ميل إلى استيعاب السيوين، مما يسمح باستخدام هذه المنه...

جميع الكائنات الحية البيولوجية تستخدم الكهرباء، في شكل أيونات، لتنظيم السلوك الخلوي. تحتوي أغشية الخلايا على أنواع مختلفة من القنوات الأيونية المحددة التي تسمح بالنقل السلبي والنشط للأيونات. هذه الأيونات تحكم وظائف الخلايا منفعل, مثل نشاط الخلايا العصبية والهيكل العظمي والعضلات القلبية. ومع ذلك ، فإن الطاقة الكهربائية الحيوية تلعب أيضًا دورًا مهمًا في الخلايا غير القابلة للإثارة ، وتحكم العديد من الوظائف الخلوية مثل انتشار الخلايا1، و neuroimmunity2،3،4، وتمايز الخلايا الجذعية5.
وفي العقود الأخيرة، استقطب مجال الطاقة الكهربائية الأحيائية مستوى متزايدا من الاهتمام، مما أسهم في تطوير تكنولوجيات عديدة للواجهات الإلكترونية الحيوية. ميكروليكترود التصحيح الماصات هي المعيار الذهبي للتسجيل داخل الخلية والتحفيز6. في هذه المنهجية، يتم سحب ماصة زجاجية في ظل ظروف محددة لتشكيل حافة حادة مع حجم المسام من ميكرون قليلة. يتم تعبئة هذه الماصة مع المخزن المؤقت والماصة يسمح الاتصال المباشر من المخزن المؤقت مع حجم داخل الخلية. وهذا يؤدي إلى واجهة الطاقة الحيوية التي تسفر عن إشارة عالية للغاية إلى نسب الضوضاء، والسيطرة الدقيقة على النشاط الكهربائي الخلوي، ودقة الزمنية عالية للغاية. على الرغم من أن هذه المنهجية هي أداة قوية للغاية ، والتي تم تخفيضها مؤخرًا إلى تكوين nano-pipette7، إلا أنها ترتبط بالعديد من القيود التقنية الهامة. تأثير تخفيف السيتوسول8، وكذلك الاهتزازات الميكانيكية ، يحد فائدته على الاستجوابات قصيرة الأجل ، ويتطلب معدات متخصصة باهظة الثمن ومستوى عال من المهارة التقنية. وعلاوة على ذلك، فإن ضخامتها تحد من عدد الخلايا التي يمكن تسجيلها أو تحفيزها في وقت واحد، ونظراً لضخامتها، لا يمكن إعادة تكوينها طوال التجربة. للتغلب على هذه القيود، تم تطوير صفائف ميكروليكترودي، ولكن حجم الأقطاب يحد من الدقة المكانية وكذلك الوصول داخل الخلايا. Nanoelectrode صفائف تسمح داخل الخلايا التسجيل والتحفيز ولكن تتطلب electroporation جلخ للوصول إلى cytosol9،10. بالإضافة إلى ذلك ، فإن جميع هذه المنهجيات مرتبطة الركيزة وبالتالي تقتصر على ثقافات الخلايا في المختبر ، أو الخلايا السطحية الخارجية ، مع عدم الوصول إلى الخلايا الموجودة داخل أنسجة ثلاثية الأبعاد .
Optogenetics11 يستخدم على نطاق واسع لمعالجة هذه القيود 3D و في الجسم الحي. ومع ذلك، تعتمد الطرق البصرية على الانزعاجات من القنوات الأيونية غشاء البلازما المنشطة للضوء التي يتم توزيعها في غشاء البلازما، والحد من 3D الاستبانة المكانية12 وقدرات داخل الخلايا.
لقد أظهرنا مؤخرا أن أسلاك السيليكون النانوية (SiNWs) يمكن استخدامها لأداء استجواب داخل الخلايا الكهربائية الحيوية مع دقة المكانية submicron مع خلايا مختلفة غير مثير، وهي myofibroblasts القلبية و oligodendrocytes13. وعلاوة على ذلك، استخدمنا هذه SiNWs لأداء السابقين vivo خلية استجواب محددة داخل أنسجة القلب 3D، للتحقيق في كيفية خلايا القلب زوجين كهربائيا في الجسم الحي14. وتتمثل إحدى المزايا الرئيسية لهذه المنهجية في بساطتها؛ لا يتطلب أي تعديل وراثي أو أجهزة ضخمة. العديد من الخلايا سوف استيعاب تلقائيا الصور المستجيبة SiNWs مع عدم وجود حاجة ل sonication أو electroporation15. وبالإضافة إلى ذلك، فإنها سوف الهروب تلقائيا التغليف endosomal وتشكيل التكامل السلس مع العضيات الخلوية والخلايا13،15. هذه المركبات الخلية-SiNWs، يطلق عليه الهجينة الخلية السيليكون، تمتلك الطبيعة الديناميكية والناعمة وتنوعا للخلية الأصلية، فضلا عن القدرات البصرية من SiNWs. بعد التهجين, الخلية-SiNW الهجين يمكن حصادها باستخدام تقنيات زراعة الأنسجة القياسية واستخدامها في تطبيقات مختلفة مثل التحفيز الكهربائي الحيوي داخل الخلايا; دراسة اقتران الطاقة الحيوية بين الخلايا في المختبر؛ و في خلية الجسم الحي استجواب محدد. كما يتطلب التحفيز الفعال التوطين المشترك لكثافات الطاقة البصرية العالية وSINWs ، يمكن للمرء تحقيق دقة مكانية عالية في كل من 2D و 3D. في هذا البروتوكول، نُصف بالتفصيل المنهجية، وكذلك كيفية تحليل النتائج. ويتم التركيز على التحقيق داخل الخلايا وداخل الخلايا في المختبر، ولكن يمكن استخدام تنفيذ هذه المنهجية في الجسم الحي مباشرة في العديد من السيناريوهات البيولوجية الأخرى.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:666px;" width="665">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">35 mm Glass bottom dishes</td>
			<td style="width:121px;">Cellvis</td>
			<td style="width:161px;">D35-10-0-N</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">3i Marianas Spinning Disk Confocal</td>
			<td style="width:121px;">3i</td>
			<td style="width:161px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Calcein-AM</td>
			<td style="width:121px;">Invitrogen</td>
			<td style="width:161px;">C1430</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">CellMask Orange Plasma membrane Stain</td>
			<td style="width:121px;">Invitrogen</td>
			<td style="width:161px;">C10045</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Collagen I, rat tail</td>
			<td style="width:121px;">Gibco</td>
			<td style="width:161px;">A1048301</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Deluxe Diamond Scribing Pen</td>
			<td style="width:121px;">Ted Pella</td>
			<td style="width:161px;">54468</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">DMEM, high glucose, pyruvate, no glutamine</td>
			<td style="width:121px;">Gibco</td>
			<td style="width:161px;">10313039</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">DMSO, Anhydrous</td>
			<td style="width:121px;">Invitrogen</td>
			<td style="width:161px;">D12345</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Falcon Standard Tissue Culture Dishes</td>
			<td style="width:121px;">Falcon</td>
			<td style="width:161px;">08-772E</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Fetal Bovine Serum, certified, heat inactivated,</td>
			<td style="width:121px;">Gibco</td>
			<td style="width:161px;">10082147</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Fibronectin Human Protein, Plasma</td>
			<td style="width:121px;">Gibco</td>
			<td style="width:161px;">33016015</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Fisherbrand 112xx Series Advanced Ultrasonic Cleaner</td>
			<td style="width:121px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:161px;">FB11201</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Fluo-4, AM, cell permeant</td>
			<td style="width:121px;">Invitrogen</td>
			<td style="width:161px;">F14201</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">FluoroBrite DMEM Media</td>
			<td style="width:121px;">Gibco</td>
			<td style="width:161px;">A1896701</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">L-Glutamine (200 mM)</td>
			<td style="width:121px;">Gibco</td>
			<td style="width:161px;">25030081</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="84">
			<td height="84" style="height:84px;width:216px;">OKO full environmental control chamber (constant temperature, humidity and CO2)</td>
			<td style="width:121px;">OKO</td>
			<td style="width:161px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">PBS, pH 7.4</td>
			<td style="width:121px;">Gibco</td>
			<td style="width:161px;">10010023</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Penicillin-Streptomycin (10,000 U/mL)</td>
			<td style="width:121px;">Gibco</td>
			<td style="width:161px;">15140122</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Pierce Primary Cardiomyocyte Isolation Kit</td>
			<td style="width:121px;">Thermo Scientific</td>
			<td style="width:161px;">88281</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Trypsin-EDTA (0.25%), phenol red</td>
			<td style="width:121px;">Gibco</td>
			<td style="width:161px;">25200056</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

silicon nanowires and optical stimulation for investigations of intra- and intercellular electrical coupling

يمكن أن تقوم Myofibroblasts بتلميم أسلاك السيليكون النانوية (SiNWs) بشكل تلقائي، مما يجعلها هدفًا جذابًا للتطبيقات الإلكترونية الحيوية. هذه الهجينة الخلية سيليكون تقدم قدرات التشكيل البصرية بلا رصاص مع الحد الأدنى من الانزعاج إلى سلوك الخلايا الطبيعية. يتم الحصول على القدرات البصرية من خلال الخصائص الحرارية الضوئية والحرارية الضوئية لـ SiNWs. ويمكن حصاد هذه الهجينة باستخدام تقنيات زراعة الأنسجة القياسية ومن ثم تطبيقها على سيناريوهات بيولوجية مختلفة. نحن نبرهن هنا كيف يمكن استخدام هذه الهجينة لدراسة اقتران الكهربائية من الخلايا القلبية ومقارنة كيف myofibroblasts الزوجين إلى بعضها البعض أو إلى cardiomyocytes. ويمكن إنجاز هذه العملية دون معدات خاصة تتجاوز المجهر الفلورسنت مع خط الليزر مقرونة. كما يظهر أيضا هو استخدام روتين MATLAB بنيت خصيصا التي تسمح الكم من انتشار الكالسيوم داخل وبين الخلايا المختلفة في الثقافة. وتظهر myofibroblasts أن يكون استجابة كهربائية أبطأ من تلك التي من cardiomyocytes. وعلاوة على ذلك، يظهر الانتشار بين الخلايا في myofibroblast أبطأ قليلاً، وإن كانت السرعات القابلة للمقارنة مع سرعاتها داخل الخلايا، مما يشير إلى الانتشار السلبي من خلال الوصلات الفجوة أو الأنابيب النانوية. هذه التقنية هي قابلة للتكيف للغاية ويمكن تطبيقها بسهولة على الساحات الخلوية الأخرى، لفي المختبر وكذلك في مجال الحي أو التحقيقات السابقة.

قدرة هذه المنهجية على السماح بالوصول المباشر إلى السيتوسول داخل الخلايا يعتمد على استيعاب تلقائي لل SiNW في الخلايا. على الرغم من أن سيورن سيخضع استيعاب عفوية في العديد من أنواع الخلايا15, بعض الخلايا, مثل خلايا القلب والخلايا العصبية, سوف تحتاج إلى أن يعامل سيورنوس للسماح استيع...

Watch this Scientific Journal Video about Silicon Nanowires and Optical Stimulation for Investigations of Intra- and Intercellular Electrical Coupling at JoVE.com

Silicon Nanowires and Optical Stimulation for Investigations of Intra- and Intercellular Electrical Coupling

يصف هذا البروتوكول استخدام أسلاك السيليكون النانوية للتشكيل الحيوي البصري داخل الخلايا في طريقة بسيطة وسهلة الأداء. هذه التقنية هي قابلة للتكيف مع أنواع الخلايا المتنوعة ويمكن استخدامها في المختبر وكذلك في التطبيقات الحية.

أسلاك السيليكون النانوية والتحفيز البصري للتحقيقات من اقتران داخل وفيما بين الخلايا الكهربائية

Myofibroblasts can spontaneously internalize silicon nanowires (SiNWs), making them an attractive target for bioelectronic applications. These ...

هذه التقنية تسمح استجواب داخل الخلايا الحيوية مع دقة المكانية العالية للغاية وخصوصية الخلية باستخدام المجهر البصرية القياسية فقط. هذه الطريقة تسهل التحفيز والاستجواب الكهربائي للخلايا ومواقع محددة داخل الخلايا ويمكن أن يؤديها في المختبر وكذلك في 3D السابقين الاستعدادات الأنسجة. هذه التقنية تمكن من التحقيق الحيوي والإلكترونية من العديد من الساحات الخلوية مثل خلايا القلب أو الدماغ، فضلا عن الاتصالات الكهربائية بين جميع الخلايا غير مثير لدينا.لعزل myofibroblasts من تعليق القلب العضلي الأروميبلاست ، قبل لوحة الخلايا المعزولة على طبق ثقافة الأنسجة 100 ملليمتر لمدة ساعة واحدة ، حيث تحتاج خلايا القلب إلى سطح ألياف عنقية وعلاجها للتمسك بها. في نهاية الحضانة، وجمع القلبية الغنية التي تحتوي على افرائب للثقافة المصب المشترك. شطف myofibroblasts مع DMEM للقضاء على أي cardiomyocytes المتبقية وتغذية الخلايا مع ثقافة جديدة المتوسطة قبل يومين إلى أربعة أيام إضافية من الحضانة.عندما تصل الخلايا إلى 80٪التقاء، واستخدام كاتب الماس لقطع رقاقة ثلاثة في ثلاثة ملليمتر من رقاقة مع الأسلاك النانوية السيليكون ترسب البخار الكيميائية. واستخدام ملقط حادة لشطف رقائق في 70٪ الإيثانول. بعد الشطف، الهواء الجاف رقائق لمدة 30 دقيقة تحت الأشعة فوق البنفسجية في غطاء تدفق لارينار السلامة الحيوية، قبل نقل رقائق إلى أنبوب جهاز طرد مركزي صغير معقمة.استخدام خلية كاملة ثقافة المتوسطة شطف لإزالة أي الإيثانول المتبقية، قبل sonicating رقائق في ملليلتر واحد من ثقافة جديدة المتوسطة في حمام سونيكيشن لمدة دقيقة إلى 10 دقائق. يجب أن تتحول فائقة غائم كما يتم تحرير أسلاك نانو. مزيج تعليق أسلاك النانو السيليكون في خمسة ملليلتر من الثقافة الطازجة المتوسطة والبذور حل أسلاك نانو على طبق من myofibroblasts.بعد أربع ساعات في حاضنة ثقافة الخلية ، شطف الطبق خمس مرات مع ثقافة جديدة المتوسطة لإزالة أي أسلاك نانوية غير متداخلة والاستمرار في احتضان الخلايا لمدة ساعة أخرى للسماح لأي أسلاك نانوية داخلية جزئيا ليتم دمجها تماما. أضف التالي 500 ميكرولترات من محلول طلاء الكولاجين الطازج إلى طبق قعر زجاجي عيار 35 ملليمتر. بعد حضانة ساعة واحدة في 37 درجة مئوية، شطف الطبق مع برنامج تلفزيوني عقيم وحصاد الهجينة myofibroblast السيليكون نانوير، مع ثلاثة ملليلتر من التربسين، لمدة دقيقتين في 37 درجة مئوية.عندما تكون الخلايا قد فصلت، ووقف رد فعل مع 10 ملليلتر من المتوسطة الثقافة، وشطف بقوة عن طريق الأنابيب وعدم الطرد المركزي أكثر من 200 G لتجنب إتلاف الخلايا. ثم إعادة تعليق الكريات الخلية الهجينة في ملليلتر واحد من المتوسطة الطازجة، وبذرة الخلايا على طبق القاع الزجاجي المغلفة الكولاجين. للتحقق من استيعاب أسلاك النانو ، قم بتسمية الخلايا بالخلايا الفلورية والأصباغ الغشاءية ، وفقًا للبروتوكولات القياسية ، واستخدام مجهر confocal لتصوير الخلايا.كما أسلاك السيليكون النانوية هي عاكسة للغاية، يمكن استخدام الضوء المنعكوس بدلا من الفلوريسنس لتصورها. لإعداد myofibroblast السيليكون نانواير الهجين cardiomyocyte الثقافة المشتركة، بذور العدد المناسب من كل نوع الخلية على طبق أسفل الزجاج المغلفة الكولاجين. وتربية الخلايا في 37 درجة مئوية لمدة 48 ساعة، للسماح للخلايا لتشكيل تقاطعات الفجوة بين الخلايا.في يوم التجربة، استبدل المستهتر في الثقافة بميليلتر واحد من الاستزراع المتوسط المُكمل بصبغة حسّاسة حديثة التحضير للكالسيوم، لاحتضان 20 إلى 30 دقيقة عند 37 درجة مئوية. في نهاية الحضانة، وغسل لوحة مرتين مع برنامج تلفزيوني عقيمة، قبل علاج الخلايا مع ملليلتر واحد من قبل الدافئة الفينول الأحمر مجانا DMEM. ثم تسمح لصبغة الكالسيوم داخل الخلايا بالخضوع للاجتثاث لمدة 30 دقيقة عند 37 درجة مئوية ، قبل الحصول على صور خط الأساس.قبل التصوير البصري والتحفيز، سخني حاضنة صغيرة مرطبة على المجهر مع خط ليزر موحد مقرون بمسار الضوء، لتصوير الكالسيوم والتحفيز البصري إلى 37 درجة مئوية وخليط ثاني أكسيد الكربون في عصر الفقاعة بنسبة 5٪. عندما يكون المجهر جاهزاً، ضع myofibroblast الهجين cardiomyocyte ثقافة المشاركة في الحاضنة الصغيرة وتصور الأسلاك النانوية عن طريق المجهر حقل مشرق لتحديد موقع التحفيز المناسب. عندما تم تحديد موقع، إعادة تكوين مسار الضوء إلى وضع الفلوريسنس، مع الحفاظ على نقطة التحفيز في الموقع المحدد مسبقا من الأسلاك نانو، والتحقق من صحة قوة التحفيز الأمثل وطول النبض، لكل حجم أسلاك نانوية السيليكون ونوع الخلية.الحصول على تسجيل 2-10 ثانية من نشاط الكالسيوم داخل الخلايا الأساسية، قبل تحفيز الأسلاك نانو مع نبضة ليزر واحد من واحد إلى 10 melowatts من السلطة ومدة 1-10 ميلي ثانية، وتسجيل موجة الكالسيوم الناتجة لمدة ثانية أخرى إلى 10 ثوان. في نهاية التجربة نقل الأفلام المسجلة من التحفيز البصري إلى برنامج مناسب، لتحليل إضافي. باستخدام البصريات القياسية على النقيض من المرحلة، يتم عرض خلايا الالتقاء بسهولة عن طريق المجهر الخفيف.ومع ذلك، فإن أسلاك السيليكون النانوية بالكاد تكون مرئية، مما يجعل من المستحيل تحديد مواقعها بهذه الطريقة. سوبر فرض الصور الميدانية الخفيفة والداكنة، ومع ذلك، يسمح التصور من الترتيب النووي بيري من أسلاك السيليكون النانوية العاكسة الخفيفة. يمكن استخدام المجهر Confocal لتصور الفلورسنت علامة cytosol الملون وأغشية البلازما، مما يجعل الموقع داخل الخلايا من أسلاك السيليكون النانوية أكثر وضوحا.باستخدام المجهر القياسية، يمكن الحصول على صورة حقل مشرق لتحديد موقع أسلاك السيليكون النانوية التي سيتم تحفيزها. ويمكن بعد ذلك الحصول على شريط فيديو خط أساس قصير من cardiomyocytes الضرب تلقائيا و myofibroblasts يستريح. بعد التحفيز، يمكن تسجيل انتشار الكالسيوم داخل الثقافة المشتركة.يمكن تحديد الوقت الذي تصبح فيه الخلايا المختلفة متحمسًا من خلال النقطة التي يصل فيها التغير في متوسط التدفق البصري إلى الحد الأقصى. ويمكن بعد ذلك حساب التدفق البصري للمساعدة في تحديد وقت التنشيط داخل كل منطقة خلية. يمكن تحديد السرعات داخل الخلايا لكل خلية باستخدام الرسوم البيانية في الخيمة، مع ميل الخط الذي يمثل عكس سرعة الانتشار داخل الخلايا.على سبيل المثال، هنا، يمكن ملاحظة ملخص للسرعات المختلفة بين الخلايا وفيما بينها قياس التفاعلات الخلية داخل ثقافة مشتركة واحدة. ويمكن استخدام هذه الطريقة في دراسات في الجسم الحي عن طريق حقن الهجينة السيليكون الخلية مباشرة في الأنسجة واستخدام 3D السابقين فيفو الاستعدادات لدراسة في شركة الكهربائية في.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Soft Lithographic Functionalization and Patterning Oxide-free Silicon and Germanium

Functionalization حجرية ناعمة وخالية من الزخرفة أوكسيد السيليكون والجرمانيوم

The development of hybrid electronic devices relies in large part on the integration of (bio)organic materials and inorganic semiconductors through a ...

Attaching Biological Probes to Silica Optical Biosensors Using Silane Coupling Agents

ربط المسابر البيولوجي لأجهزة الاستشعار البصرية عن طريق وكلاء السيليكا اقتران silane

In order to interface with biological environments, biosensor platforms, such as the popular Biacore system (based on the Surface Plasmon Resonance (SPR) ...

Engineering Skeletal Muscle Tissues from Murine Myoblast Progenitor Cells and Application of Electrical Stimulation

مناديل الهندسة العضلات الهيكلية من الفئران الخلايا الاصلية Myoblast وتطبيق تحفيز الكهربائية

Engineered muscle tissues can be used for several different purposes, which include the production of tissues for use as a disease model in vitro, e.g. to ...

In vitro Synthesis of Native, Fibrous Long Spacing and Segmental Long Spacing Collagen

In vitro Synthesis of Native, Fibrous Long Spacing and Segmental Long Spacing Collagen

في تركيب المختبر من تباعد الليفية الأصلية، طويل والقطاعي الكولاجين تباعد طويل

Collagen fibrils are present in the  extracellular matrix of animal tissue to provide structural scaffolding and  mechanical strength. These native ...

Optical Detection of E. coli Bacteria by Mesoporous Silicon Biosensors

Optical Detection of E. coli Bacteria by Mesoporous Silicon Biosensors

كشف البصري<em&gt; E. القولونية</em&gt; البكتيريا عن طريق أجهزة الاستشعار السيليكون Mesoporous

A label-free optical biosensor based on a nanostructured porous Si is designed for rapid capture and detection of Escherichia coli K12 bacteria, as a ...

Porous Silicon Microparticles for Delivery of siRNA Therapeutics

مسامية السيليكون المجهرية الدقيقة لتسليم سيرنا التداوي

Small interfering RNA (siRNA) can be used to suppress gene expression, thereby providing a new avenue for the treatment of various diseases. However, the ...

Computed Tomography and Optical Imaging of Osteogenesis-angiogenesis Coupling to Assess Integration of Cranial Bone Autografts and Allografts

التصوير المقطعي والتصوير الضوئي من-تكون العظم الأوعية الدموية اقتران لتقييم دمج القحف طعم ذاتي العظام والمغايرة

A major parameter determining the success of a bone-grafting procedure is vascularization of the area surrounding the graft. We hypothesized that ...

Optical Control of Living Cells Electrical Activity by Conjugated Polymers

مراقبة البصرية من الخلايا الحية النشاط الكهربائي من قبل مترافق البوليمرات

Hybrid interfaces between organic semiconductors and living tissues represent a new tool for in-vitro and in-vivo applications. In particular, conjugated ...

Preparation of Silicon Nanowire Field-effect Transistor for Chemical and Biosensing Applications

إعداد السيليكون أسلاك متناهية الصغر حقل التأثير الترانزستور لتطبيقات كيميائية وBiosensing

Surveillance using biomarkers is critical for the early detection, rapid intervention, and reduction in the incidence of diseases. In this study, we ...

Transmission of Multiple Signals through an Optical Fiber Using Wavefront Shaping

انتقال إشارات متعددة من خلال الألياف البصرية عن طريق واجهة الموجة تشكيل

The transmission of multiple independent optical signals through a multimode fiber is accomplished using wavefront shaping in order to compensate for the ...