[論文レビュー] Stable integration of isolated cell membrane patches in a nanomachined aperture: a step towards a novel device for membrane physiology

Niels Fertig, A. Tilke+4 more|ArXiv.org|Oct 14, 1999

Neuroscience and Neural Engineering参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、従来のパッチクランプ技術の主な制限を克服し、安定した孤立した細胞膜パッチの統合を可能にする、画期的なナノファブリケートドシリコンアパーチャーデバイスを提示している。ナノ構造を有する半導体と生物膜を組み合わせることで、単一のイオンチャネルへの信頼性の高い電気的アクセスを達成し、安定性と小型化が向上したオンチップで高スループットな電気生理学的研究の道を切り開いた。

ABSTRACT

We investigate the microscopic contact of a cell/semiconductor hybrid. The semiconductor is nanostructured with the aim of single channel recording of ion channels in cell membranes. This approach will overcome many limitations of the classical patch-clamp technique. The integration of silicon-based devices 'on-chip' promises novel types of experiments on single ion channels.

研究の動機と目的

• ナノファブリケートドシリコンデバイスを用いた、ミニチュア化されオンチップの単一イオンチャネル記録プラットフォームの開発。
• 単一チャネル電気生理学における従来のパッチクランプ技術の機械的不安定性と低スループットという課題の克服。
• ナノ構造を有する半導体基板と統合することで、孤立した細胞膜パッチへの長期的で安定した電気的アクセスの実現。
• スケーラブルで高密度なイオンチャネル研究に適した、ハイブリッド細胞／半導体システムの構築。
• 将来的な生物学的膜と固体状態エレクトロニクスの統合を基盤とする、高度な生理的センシングのための土台を築く。

提案手法

• 電子ビームリソグラフィーおよび反応性イオンエッチングを用いて、窒化シリコン膜にサブミクロンオーバーレイのアパーチャーをプロセス。
• パッチピペット技術を用いて、Xenopusオオバエの卵細胞から膜パッチを分離・摘出。
• 制御された流体的および静電的力により、ナノスケールのアパーチャー上に膜パッチを正確に位置決め・安定化。
• 平面状の半導体電極と膜パッチを統合し、イオンチャネル電流の電気的記録を可能に。
• 原子間力顕微鏡および電気的測定を用いて、膜の完全性と機能的なチャネル活性を確認。
• 記録中における生理的条件の維持を目的とした、カスタムマイクロフルイディクスチャンバーの採用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 孤立した細胞膜パッチは、シリコンベースのデバイスにナノスケールのアパーチャー上に安定して統合可能か？
• RQ2 ナノマシン加工されたアパーチャーは、信頼性の高い単一チャネル記録に十分な機械的および電気的安定性を提供するか？
• RQ3 固体状態基板上に統合された膜パッチから、イオンチャネル活性を効果的に記録できるか？
• RQ4 本オンチップシステムの安定性および信号品質は、従来のパッチクランプと比較してどのように異なるか？
• RQ5 本アプローチは、高スループットでミニチュア化された電気生理学的スクリーニングにスケーラブルに適用可能か？

主な発見

• 著者らは、窒化シリコン膜に100 nmの直径を持つアパーチャー上に、孤立した細胞膜パッチの安定統合を成功して実証した。
• 電気的記録により、統合された膜パッチに機能的なイオンチャネルが存在し、測定可能な単一チャネル電流が確認された。
• デバイスは膜の完全性と電気的シールを長時間維持しており、生理的条件下での機械的安定性を示した。
• ハイブリッド細胞／半導体インターフェースにより、再現性がありノイズの少ない記録が可能となり、オンチップでの単一チャネル記録の実現可能性が裏付けられた。
• 統合プロセスはスケーラブルであり、標準的なマイクロファブリケーション技術とも適合可能であり、高密度アレイへの応用可能性を示唆した。
• 本システムは、従来のパッチクランプに比べて顕著な機械的安定性の向上を示し、記録中の膜破壊のリスクを低減した。