Ultraczułe złote elektrody o mikrostrukturze umożliwiające wykrywanie pozakomórkowych długotrwałych potencjałów w populacjach astrocytów
Informacje na temat elektrod grzybkowych
Wyprodukowano i scharakteryzowano elektrycznie ultraczułe elektrody do nagrań pozakomórkowych. Osiągnięto granicę wykrywania sygnału zdefiniowaną przez poziom szumu 0,3–0,4 μV dla szerokości pasma 12,5 Hz. Aby uzyskać tak wysoką czułość, zastosowano elektrody o dużej powierzchni (4 mm2). Powierzchnia elektrody jest również mikrostrukturyzowana z szeregiem złotych kształtów przypominających grzyby, aby jeszcze bardziej wzmocnić obszar aktywny. W porównaniu z płaską powierzchnią złota, mikrostrukturalna powierzchnia zwiększa pojemność granicy faz elektroda/elektrolit o 54%. Niska impedancja elektrody i niski poziom szumów umożliwiają wykrywanie słabych i niskoczęstotliwościowych sygnałów quasi-okresowych wytwarzanych przez populacje astrocytów, które do tej pory pozostawały niedostępne przy użyciu konwencjonalnych elektrod zewnątrzkomórkowych. Zmierzono sygnały o amplitudzie 5 μV i trwające 5–10 s, ze stosunkiem sygnału międzyszczytowego do szumu wynoszącym 16. Elektrody i opracowaną tutaj metodologię można wykorzystać jako ultraczułe narzędzie elektrofizjologiczne do ujawnienia dynamika synchronizacji ultrawolnej sygnalizacji jonowej między komórkami nieelektrogenicznymi.
Elektrody grzybkowe
Zintegrowane z podłożem planarne macierze mikroelektrodowe (MEA) są uważane za standardową metodologię elektrofizjologiczną do długoterminowej analizy komórek i sieci neuronowych in vitro. Technologia MEA zapewnia rozdzielczość przestrzenną, wielojednostkowe zapisy elektryczne oraz sposób na stymulację elektryczną komórek neuronalnych. Obecnie dostępne elektrody MEA mają powierzchnię zwykle poniżej 1000 μm2 i generują szum termiczny w zakresie 5–20 μV. Ten wewnętrzny szum określa granicę wykrywania systemu. W pomiarach napięcia szum termiczny elektrody jest odwrotnie proporcjonalny do pola powierzchni. Zwiększenie powierzchni elektrod powoduje wzrost czułości dzięki redukcji szumów i impedancji. Jednak wraz ze wzrostem obszaru zdolność do rozróżniania poszczególnych sygnałów komórkowych jest osłabiona. Aby obejść ten kompromis między czułością elektrod a rozdzielczością przestrzenną, kilka laboratoriów zaczęło opracowywać elektrody strukturalne. Te wyłaniające się elektrody wykorzystują pionowe mikro- lub nanostruktury powlekane, a mianowicie nanorurki węglowe lub polimery przewodzące, które zapewniają bardziej miękka i bardziej chropowata powierzchnia. Strategia stojąca za tymi podejściami polega na zwiększeniu efektywnego obszaru i promowaniu bardziej intymnej interakcji elektrody z komórkami. Dobrze znanym przykładem jest użycie kształtów przypominających grzyby ze złota o mikronowej wielkości. Wykazano, że komórki pochłaniają wystające złote kształty przypominające grzyby, obniżając impedancję i poprawiając sprzężenie elektryczne między komórkami a elektrodą.
Takie mikrostrukturalne elektrody zostały zoptymalizowane pod kątem rejestrowania potencjałów czynnościowych. Istnieje jednak mniej znana aktywność elektryczna wytwarzana przez komórki i narządy pełniące ważne role fizjologiczne/funkcjonalne. Aktywność ta generuje słabe i długotrwałe zaburzenia elektryczne, które rozchodzą się przez środowisko zewnątrzkomórkowe. Są one powodowane przez jony, cząsteczki polarne lub jony dwubiegunowe, które mogą przechodzić z komórki do komórki przez połączenia szczelinowe. Te fluktuacje są stałymi lub wolnozmiennymi gradientami i postępują tysiące razy wolniej niż potencjały czynnościowe. Ta aktywność nie pokazuje skoków, ale płynne sygnały, które mogą zmieniać się w czasie, od kilku sekund do minut, i często są wynikiem zjawiska kooperacji komórek. Astrocyty to komórki, które generują tego typu długotrwałe sygnały. Zapisy patch clamp i metody fluorescencji optycznej ujawniły interesujące funkcjonalne właściwości elektryczne w astrocytach, ale mechanizmy te nie są jeszcze w pełni poznane
Najnowsze komentarze