Historisch hat JoVE, The Journal of Visualized Experiments, seinen Schwerpunkt hauptsächlich auf die biomedizinische Forschung gelegt und Unterkategorien für Bioingenieurwesen, klinische und translationale Medizin, Immunologie und Infektionen sowie Neurowissenschaften entwickelt. Im Juli startet JoVE nun den neuen Bereich Angewandte Physik, der eine breite Palette an Inhalten von der Plasmaphysik bis zur Materialwissenschaft umfasst. Wir eröffnen den neuen Abschnitt mit einem bemerkenswerten Artikel der Purdue University, an dem Forscher des Zentrums für laserbasierte Fertigung arbeiten.
Materie existiert in drei bekannten Zuständen: fest, flüssig und gasförmig. Wenn einem Gas genügend Energie zugeführt wird, können Atome Elektronen verlieren oder ionisiert werden, wodurch ein vierter Zustand namens Plasma entsteht. Plasma ist die häufigste Form der Materie und nimmt etwa 99,999 % des sichtbaren Universums ein. Mithilfe ultrakurzer Laserpulse von 100 Femtosekunden, also 100 Billiardstel einer Sekunde, demonstrieren unsere Autoren eine Technik namens Pump-Probe-Schattenbildverfahren, die es ermöglicht, das frühe Plasma zu visualisieren, während es sich von Metalloberflächen entwickelt. Durch die Erstellung eines Simulationsmodells können diese Forscher die Dynamik des frühen Plasmas untersuchen und so ein besseres Verständnis dafür gewinnen, wie Materie ionisiert wird.
Für die Materialwissenschaften als Teilbereich der angewandten Physik wird JoVE an der University of Michigan realisiert, wo Forscher neue Methoden in der Mikrofertigung entwickeln. Unsere Autoren demonstrieren ein Verfahren zum Wachsen komplexer, dreidimensionaler Mikrostrukturen aus Kohlenstoffnanoröhren, die als Urformen zur Herstellung von Abgüssen aus Polymeren oder biologischen Materialien verwendet werden können. Die Rasterelektronenmikroskopie zeigt, dass die Urformen aus Kohlenstoffnanoröhren in den aus diesen Formen hergestellten Polymerabgüssen hinsichtlich ihrer mikroskaligen Form und nanoskaligen Textur mit hoher Genauigkeit reproduziert werden. Die Mikrofertigungstechnologie ermöglicht es, Laboroperationen im kleinen Maßstab durchzuführen – im Wesentlichen ein Labor auf einem Chip.
Von der Angewandten Physik zur Herzphysiologie wechselnd, besucht JoVE die George Washington University, um eine modifizierte Langendorff-Präparation aufzuzeichnen. JoVE hat mehrere Artikel veröffentlicht, die diese physiologische Präparation zeigen, bei der das Herz stundenlang isoliert weiter schlagen kann. Der Ansatz beinhaltet die retrograde Perfusion des Herzens über die Aorta, wodurch die Aortenklappe geschlossen und das sauerstoffreiche Perfusat durch den Koronarkreislauf geleitet wird, um das Herzmuskelgewebe am Leben zu erhalten.
Unsere Autoren stellen eine Modifikation dieser Vorbereitung vor, die das Kanülieren des linken Atrium-Anhängsels, der unteren Hohlvene und der Lungenarterie beinhaltet. In diesem Zustand sind alle vier Herzkammern kanüliert, wodurch physiologische Belastungsdrücke an beide Ventrikel bereitgestellt werden, und die Notwendigkeit, das Herz retrograd über die Aorta zu perfundieren, entfällt. Dadurch erfolgt die Herzperfusion in der normalen Richtung, und das Herz erzeugt selbst den Druck für die koronare Perfusion.
Nachdem dieses biventrikuläre arbeitende Herzmodell erreicht ist, richten unsere Autoren die Bildgebung der Fluoreszenz von Nicotinamidadenindinukleotid, oder NADH, ein. Dieses in Mitochondrien vorkommende Coenzym emittiert im reduzierten Zustand Fluoreszenz und liefert einen Messwert für die lokale Sauerstoffkonzentration und damit für den Herzstoffwechsel. Diese Forscher demonstrieren Messungen der NADH-Fluoreszenz bei unterschiedlichen Stimulationsfrequenzen und verdeutlichen dadurch das Potenzial dieses physiologisch relevanten Modells, Einblicke in kardiale Pathologien zu gewinnen.
In unserer Bioingenieurwesen-Sektion besucht JoVE die University of the Pacific für einen Artikel zur Herstellung synthetischer Spinnenseide. Bereits 2010 veröffentlichte JoVE einen Artikel aus dem Labor von Vierra, in dem Mikrodissektionsmethoden zur Isolierung der 12 seidenproduzierenden Drüsen der Schwarzen Witwe beschrieben wurden. Die Isolierung dieser Drüsen ermöglicht analytische Verfahren, um spezifische Spinnenseidenproteine zu identifizieren. Da Spinnen giftig und cannibalistisch sind, ist ihre Züchtung zur großtechnischen Produktion von Spinnenseide unrealistisch. Daher transformiert das Labor von Vierra Bakterien mit Plasmiden, die Seidenproteine enthalten, und exprimiert rekombinante Spinnenseidenproteine in Bakterien.
In dieser Ausgabe von JoVE im Juli führt uns die Arbeitsgruppe von Vierra durch eine Methode zur Isolierung und Reinigung von Spinnenseidenproteinen aus diesen Bakterien. Anschließend zeigen sie, wie das gereinigte Protein zu Fasern versponnen wird, und demonstrieren Verfahren zum Sammeln dieser Fasern sowie zur Beurteilung ihrer Festigkeit. Spinnenseide ist für Biomaterialwissenschaftler von großem Interesse aufgrund ihrer Biokompatibilität und mechanischen Eigenschaften, die sie fester als Baustahl machen. Das Labor von Vierra hat die Herstellung von Spinnenseide im Labor Maßstab gezeigt, die möglicherweise auf einen großtechnischen Herstellungsprozess erweitert werden kann. Diese kurze Zusammenfassung fasst vier der fünfzig Artikel zusammen, die JoVE im Juli veröffentlichen wird. Weitere bemerkenswerte Publikationen umfassen die Demonstration der Ex-ovo-Elektroporation in späten Entwicklungsstadien von Hühnerembryonen, die Produktion sekretierter Proteine aus menschlichen Zellen sowie die ex vivo-Kultivierung von Fruchtfliegengehirnen.