Félix, Rute CasteloGomes, Henrique LeonelInácio, Pedro Miguel Cavaco Carrilho Dos Santos2024-07-262024-07-262023-11-10http://hdl.handle.net/10400.1/25722The development of instruments and methods for basic neuroscience and cell biology studies has played a significant role in advancing our understanding about fundamental biological process. Most of this knowledge has been gathered through using invasive methods such as the patch clamp method, to study the electrical response of neuronal cells. Recent advancements in microelectronics have revolutionized these studies by enabling non-invasive extracellular electrode recordings using extracellular electrodes know as Microelectrode array (MEAS) technology. This breakthrough has sparked significant interest in the scientific community, as it opens a wider range of applications, including, fundamental studies in neurosciences, drug screening, environmental monitoring, and toxin detection. Microelectrode array (MEA) technology has evolved into a mature technology, and it is widely considered as the gold standard for electrophysiological studies. Nevertheless, MEAs have been primarily optimized to measure excitable cells. Excitable cell is a term used to refer to cells with biological mechanisms that enable them to generate action potentials (APs). Two examples of excitable cells are neurons and cardiac cells. Somatic cells, such as cancer cells, fibroblasts, secretory cells, and epithelial cells, are considered non-electrogenic cell types. Non-electrogenic cells lack the biological mechanisms to generate a response to an electrical stimulus. However, non-excitable cells have other signaling mechanisms that allow them to generate electrical fluctuations. A well-known example are chemical waves which propagate across the cell tissue. Communication process trough chemical waves requires synchronization among a population of cells. Calcium waves are examples of this signaling mechanism. Chemical waves can be detected and recorded using optical fluorescence techniques. However, the optical detection has a few major handicaps. Optical methods require the incubation using fluorescence molecules with a lifetime limited to a few hours. Furthermore, the require microscopes equipped with lasers as well as fast optical detection systems. Additionally, cells are subjected to light pulse, that may interfere with normal cell behavior. Therefore, there is a strong need for an electrical-based technique that detects voltage oscillations generated by chemical waves in real time. This thesis is positioned in this context and aims to fabricate and test devices to record extracellular signals generated by non-excitable cells. The work builds on the group's previous experience, which was crucial in developing the technique for measuring ultra-weak signals with amplitudes as small as a few micro-volts in the millihertz frequency. It is essential to emphasize that the work developed in this thesis is based on the group's previous experience, whose contribution was fundamental for the development of the technique for measuring ultra-weak signals with amplitudes of just a few micro-volts. The group has already demonstrated electrophysiological based devices with an unrivalled detection limit of 20 nanovolts. However, there are still some challenges to be addressed. A critical objective is to minimize the intrinsic noise of the devices using innovative materials, such as conductive polymers and nano−fibrous bacterial cellulose substrates. This improvement will bring the detection limit of the device to low voltages and allow access to faint signals as well as to increase the signal-to-noise ratio (SNR). Other important goal is to establish a clear relation between the electrode geometry and the properties of the native signals generated by the population of cells.O desenvolvimento de instrumentos e métodos para estudos básicos de neurociência e biologia celular tem desempenhado um papel significativo no avanço de nossa compreensão sobre o processo biológico fundamental. A maior parte deste conhecimento foi recolhido através da utilização de métodos invasivos, como o método do patch clamp, para estudar a resposta elétrica das células neuronais. Avanços recentes na microeletrônica revolucionaram esses estudos, permitindo gravações não invasivas de elétrodos extracelulares usando elétrodos extracelulares conhecidos como tecnologia Microelectrode array (MEAS). Este avanço despertou um interesse significativo na comunidade científica, uma vez que abre uma gama mais ampla de aplicações, incluindo estudos fundamentais em neurociências, triagem de medicamentos, monitoramento ambiental e deteção de toxinas. A tecnologia Microelectrode array (MEA) evoluiu para uma tecnologia madura, e é amplamente considerada como o padrão ouro para estudos eletrofisiológicos. No entanto, os MEAs foram otimizados principalmente para medir células excitáveis. Célula excitável é um termo usado para se referir a células com mecanismos biológicos que lhes permitem gerar potenciais de ação (APs). Dois exemplos de células excitáveis são os neurónios e as células cardíacas. As células somáticas, como células cancerosas, fibroblastos, células secretoras e células epiteliais, são consideradas tipos de células não eletrogéneas. As células não eletrogéneas carecem de mecanismos biológicos para gerar uma resposta a um estímulo elétrico. No entanto, as células não excitáveis têm outros mecanismos de sinalização que lhes permitem gerar flutuações elétricas. Um exemplo bem conhecido são as ondas químicas que se propagam através do tecido celular. O processo de comunicação através de ondas químicas requer sincronização entre uma população de células. As ondas de cálcio são exemplos deste mecanismo de sinalização. As ondas químicas podem ser detetadas e registadas utilizando técnicas de fluorescência ótica. No entanto, a deteção ótica tem algumas desvantagens principais. Os métodos óticos requerem a incubação usando moléculas de fluorescência com uma vida útil limitada a algumas horas. Além disso, a necessidade de microscópios equipados com lasers, bem como sistemas de deteção ótica rápida. Além disso, as células são submetidas a pulso de luz, que pode interferir com o comportamento celular normal. Portanto, há uma forte necessidade de uma técnica de base elétrica que detete oscilações de tensão geradas por ondas químicas em tempo real. Esta tese posiciona-se neste contexto e tem como objetivo fabricar e testar dispositivos para registar sinais extracelulares gerados por células não excitáveis. O trabalho baseia-se na experiência anterior do grupo, que foi crucial no desenvolvimento da técnica para medir sinais ultra fracos com amplitudes tão pequenas quanto alguns micro-volts na frequência de milihertz. É fundamental ressaltar que o trabalho desenvolvido nesta tese baseia-se na experiência anterior do grupo, cuja contribuição foi fundamental para o desenvolvimento da técnica de medição de sinais ultrafracos com amplitudes de apenas alguns micro-volts. O grupo já demonstrou dispositivos baseados em eletrofisiológicos com um limite de deteção incomparável de 20 nanovolts. Há ainda alguns desafios a enfrentar. Um objetivo crítico é minimizar o ruído intrínseco dos dispositivos usando materiais inovadores, como polímeros condutores e substratos de celulose bacteriana nano fibrosa. Esta melhoria trará o limite de deteção do dispositivo para baixas tensões e permitir o acesso a sinais fracos, bem como para aumentar a relação sinal-ruído (SNR). Outro objetivo importante é estabelecer uma relação clara entre a geometria do elétrodo e as propriedades dos sinais nativos gerados pela população de células.engBioelectronicsOrganic ElectronicsConductive PolymersUltra-Low-Noise ElectrophysiologyExtracellular SignalsNon-Electrogenic Cellsdoctoral thesis101761767