Ultra-sensitive bioelectronic transducers to monitor electrical activity in cell populations

Mestre, Ana Luísa Garcias

http://hdl.handle.net/10400.1/25760

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Authors

Mestre, Ana Luísa Garcias

Advisor(s)

Gomes, Henrique Leonel

Power, Deborah Mary

Abstract(s)

O avanço na área da microeletrónica tem permitido a fabricação de matrizes de microeléctrodos (MEAs) planares, que são elétrodos individuais com dimensões tão pequenas quanto uma célula individual. Estas matrizes são comumente utilizadas para medir sinais extracelulares em neurónios, permitindo entender mecanismos de comunicação entre redes de milhares de neurónios. Os neurónios, os cardiomiócitos e as células nervosas têm a capacidade de despoletar potenciais de ação. Este tipo de células, conhecidas como células eletrogénicas ou excitáveis, passam a informação a alta velocidade e desenvolvem a capacidade de gerar oscilações viajantes, conhecidas como potenciais de ação, que podem deslocar-se a uma velocidade de metros por segundo. Por outro lado, células não eletrogénicas ou não excitáveis, como é o exemplo de células epiteliais, utilizam oscilações químicas que viajam a uma velocidade muito lenta através dos tecidos. Um exemplo típico destas flutuações são as ondas ou oscilações de cálcio. As ondas de cálcio são flutuações internas de cálcio que viajam a micrómetros por segundo numa população de células conectada. A flutuação gerada é frequentemente produzida por muitas células que sincronizaram o seu comportamento. As células são classificadas como células não excitáveis ou não eletrogénicas. Esta tese está focada nos sinais bioelétricos extracelulares produzidos por células não eletrogénicas. Este estudo coloca a hipótese que oscilações iónicas, como ondas de cálcio e outras flutuações iónicas geradas por células não eletrogénicas possam induzir flutuações iónicas extracelulares. As flutuações iónicas extracelulares podem ser detetadas por elétrodos extracelulares como oscilações em voltagem. Esta tese examina e discute as propriedades das flutuações elétricas medidas por elétrodos extracelulares em vários tipos de populações de células não eletrogénicas, nomeadamente fibroblastos dérmicos (células da pele) e células C6 gliais. As propriedades destes sinais, como a frequência, duração, forma e sinais com padrões específicos são discutidos em detalhe. Os sinais gerados por células não eletrogénicas tem propriedades especificas, incluindo encontrarem-se dentro da banda de frequência dos milihertz (f<1 Hz), tendo durações no intervalo de segundos e sendo quase-periódicos quando ocorrem atividades intensas. Treinos de sinais padronizados quase periódicos frequentemente apresentam padrões de modulação em amplitude e na frequência. As propriedades dos sinais gerados por populações de células não eletrogénicas estabeleceram dois requisitos no design dos sensores elétricos para medições de eletrofisiologia que são discutidos nesta tese. Primeiramente, na banda de frequência dos milihertz, o ruído base é imposto pelo ruído rosa, também conhecido como 1/f noise. Este tipo de ruído determina o limite de deteção dos sensores elétricos. Estratégias para minimizar este ruído, como a utilização de elétrodos micro-estruturados são discutidas. Em segundo lugar, os sinais de células não eletrogénicas são um resultado de um processo de sincronização celular. A área do elétrodo necessita ser otimizada para medir o número de células envolvidas na sincronização, prevenindo assim medir outros eventos que vão resultar em ruído elétrico. Os resultados eletrofisiológicos são apenas relevantes se fornecerem informação acerca de processos nos quais as células estão envolvidas. Portanto, esta tese induziu tarefas celulares especificas e mediu alterações correspondentes a resultados eletrofisiológicos. Por exemplo, a migração celular foi monitorizada após uma ferida ser feita numa população de células. Esta tese demonstra que diferentes tipo celulares tem diferentes processos migratórios quando estes são medidos em eletrofisiologia. O padrão de migração de células cancerosas pode estar relacionados com a velocidade de migração, enquanto que nas células da pele, o padrão de migração medido através de sinais eletrofisiológicos revela informação acerca dos sinais bioelétricos utilizados pelas células para coordenarem a reparação de uma ferida. Por fim, esta tese discute como é que os sensores elétricos utilizados em eletrofisiologia podem ser utilizados em estudos biológicos fundamentais em células não eletrogénicas e em dispositivos terapêuticos.

The advancement of microelectronics has enabled the fabrication of microelectrode arrays (MEAs), which are individually addressable electrodes with dimensions as small as a single cell. MEAs are commonly used to measure extracellular signals in electrogenic cells, which have the capability of firing action potentials, such as neurons, cardiomyocytes, and nerve cells, exchanging information at high speed (up to meters per second). In contrast, non-electrogenic cells, such as skin cells, use chemical oscillations, such as calcium waves, to communicate with their neighbouring cells. These chemical oscillations travel very slowly (micrometres per second) through a connected cell population. The fluctuation generated by these cells is often a result of several cells which synchronize their behaviour. In this thesis different topics are discussed. Primarily, the extracellular bioelectrical signals generated by non-electrogenic cells. This study hypothesizes that ionic oscillations, such as calcium waves and other ionic fluctuations caused by nonelectrogenic cells also induce extracellular ionic fluctuations. The electric fluctuations can be detected by extracellular electrodes as voltage oscillations. Secondly, specific properties of the electrical fluctuations measured by extracellular electrodes in several types of populations of non-electrogenic cells. The properties of these signals, such as their frequency (millihertz frequency band (f<1 Hz)), duration (few seconds), shapes, and specific signal patterns (quasi-periodic activity, amplitude and frequency modulated) is discussed. Furthermore, the requirement of the design of sensing electrodes to measure in the millihertz frequency band and also to be able of measuring biosignals, resulting in a cell synchronization process is also discussed. Thirdly, different electrophysiological signal migration patterns generated by cancer cells and skin cells while migrating is discussed. The analysis of electrophysiological data provides information about the processes in which the cells are involved. For instance, cell migration was monitored after a wound was inflicted in a cell population. It is demonstrated that different cell types have different migration processes when electrophysiological activity is recorded. Lastly, how electrophysiological sensing electrodes can be exploited in fundamental biological studies in populations of non-electrogenic cells and in therapeutic devices.