Все биологические организмы используют электричество в виде ионов для регулирования клеточного поведения. Клеточные мембраны содержат различные типы специфических ионных каналов, позволяющих пассивно и активно транспортировать ионы. Эти ионы регулируют функции возбудимых клеток, таких как нейронная активность и скелетная и сердечная соток. Тем не менее, биоэлектричность также играет важную роль в невозбудимых клетках, регулирующих многие клеточные функции,такие как пролиферацией клеток 1,нейроиммунностью 2,3,4и дифференциацией стволовыхклеток 5.
В последние десятилетия область биоэлектричества привлекла все более высокий уровень интереса, что способствовало развитию многочисленных технологий биоэлектронных интерфейсов. Microelectrode патч пипетки являются золотым стандартом внутриклеточной записи и стимуляции6. В этой методологии, стеклянная пипетка вытащил при определенных условиях, чтобы сформировать острый край с поры размером несколько микрон. Эта пипетка заполнена буфером, а пипетка позволяет напрямую контактировать буфера с внутриклеточным объемом. Это приводит к биоэлектрический интерфейс, который дает чрезвычайно высокий сигнал к шуму отношения, точный контроль над клеточной электрической активности, и чрезвычайно высокое временное разрешение. Хотя эта методология является чрезвычайно мощным инструментом, который недавно был сокращен до нано-пипеткиконфигурации 7, это связано с несколькими важными техническими ограничениями. Эффект разбавленияцитозолом 8,а также механические вибрации, ограничивает его полезность краткосрочными допросами, и требует дорогостоящего специализированного оборудования и высокого уровня технических навыков. Кроме того, его громоздкость ограничивает количество клеток, которые могут быть записаны или стимулированы одновременно, и из-за его инвазивности, он не может быть перенастроен на протяжении всего эксперимента. Для преодоления этих ограничений были разработаны массивы микроэлектродов, но размер электродов ограничивает пространственное разрешение, а также внутриклеточный доступ. Nanoelectrode массивы позволяют внутриклеточной записи и стимуляции, но требуют абразивного электропорации для доступа кцитозолу 9,10. Кроме того, все эти методологии связаны субстратами и, таким образом, ограничиваются культурами клеток в пробирке или внешними поверхностными клетками, не имеют доступа к клеткам, которые находятся внутри трехмерной (3D) ткани.
Optogenetics11 широко используется для решения этих 3D и in vivo ограничений. Однако оптогенетические методы основаны на возмущениях светоактивных плазменных мембранных ионных каналов, которые распространяются на плазменной мембране, ограничивая 3Dпространственное разрешение 12 и внутриклеточные возможности.
Недавно мы показали, что кремниевые нанопроводы (SiNWs) могут быть использованы для выполнения внутриклеточного биоэлектрического допроса с субмикроном пространственного разрешения с различными невозбудимыми клетками, а именно сердечными миофибробластами и олигодендроцитами13. Кроме того, мы использовали эти SiNWs для выполнения экс-vivo клеток конкретных допроса в 3D сердечной ткани, чтобы исследовать, как сердечные клетки электрически пара in vivo14. Основным преимуществом этой методологии является ее простота; он не требует каких-либо генетических изменений или громоздких приборов. Многие клетки спонтанно интернализировать фото-реакции SiNWs без необходимости звуковой или электропорации15. Кроме того, они спонтанно избежит эндосомной инкапсуляции и образуют бесшовную интеграцию с цитозолом и внутриклеточнымиорганеллами 13,15. Эти клеточные-SiNWs композиты, называются клеточно-силиконовыми гибридами, обладают динамичным, мягким и универсальным характером оригинальной клетки, а также оптометическими возможностями SiNWs. После гибридизации гибрид cell-SiNW может быть собран с использованием стандартных методов культуры тканей и использован для различных применений, таких как внутриклеточная биоэлектрическая стимуляция; изучение межклеточной биоэлектрической связи в пробирке; и для in vivo ячейки конкретных допросов. Поскольку эффективная стимуляция требует совместной локализации высокой плотности оптической мощности и SiNWs, можно достичь высокого пространственного разрешения как в 2D, так и в 3D. В этом протоколе мы подробно описываем методологию, а также то, как можно анализировать результаты. Основное внимание уделяется внутриклеточному и межклеточному исследованию in vitro, однако внедрение этой методологии может быть непосредственно использовано для многих других биологических сценариев.