Forbedrede pH -sonder kan hjælpe mod kræftbehandlinger

Nanopipetter med zwitterioniske membraner kan tilbyde forbedret overvågning af ændringer i pH omkring levende celler, som kan indikere træk ved invasive kræftceller og deres reaktion på behandling, rapporterer forskere ved Kanazawa University i Naturkommunikation .

"Det bliver klart, at en sur ekstracellulær pH ​​spiller en væsentlig rolle i kræftcelleprogression, invasivitet og modstand mod terapi, "forklar Yuri Korchev og Yasufumi Takahashi ved Nano Life Science Institute ved Kanazawa University og Yanjun Zhang ved Imperial College London og kolleger ved samarbejdende institutioner i Storbritannien, Kina, Japan og Rusland i en nylig avis. På trods af den stigende anerkendelse af vigtigheden af ​​pH direkte omkring en celle som en indikator for cellesundhed, teknikker til at måle det forbliver begrænsede med hensyn til deres følsomhed, den rumlige opløsning, de kan tilbyde, og reaktionshastigheden på pH -ændringer. Rapportering i Naturkommunikation , Zhang, Takahashi og Korchev og kolleger beskriver en nanopipette pH -biosensor, der er følsom over for ændringer i pH på mindre end 0,01 enheder med en responstid på 2 ms og 50 nm rumlig opløsning.

Forskerne designede oprindeligt sensoren som en nanopipette ionisk felt effekt transistor - hvor porte styrer ionstrømmen i nanopipetten i stedet for elektroner. Imidlertid, mens dette løste problemer omkring pH -følsomhed og rumlig opløsning, enhedens aflæsninger tog stadig et par sekunder at reagere på pH -ændringer på grund af ioniske Coulomb -blokadeeffekter, der hæmmer diffusionshastigheden af ​​ioner.

Løsningen Zhang, Takahashi og Korchev og kolleger foreslår nu, at det er at inkorporere en zwitterionisk membran for at muliggøre hurtigere svar. Ved at bruge en dobbelt tønde nanopipette med membranen i kun en af ​​tønderne kunne forskerne bruge den anden tønde som et scannende ionisk konduktansmikroskop (SICM) til samtidige topologiske målinger.

Teamet testede enheden på levende kræftceller og viste, hvordan enheden kunne opfange stigninger i ekstracellulær pH ​​fra invasive fænotyper af brystkræftceller, der var blevet frataget østrogen. De kunne også registrere pH -ændringer fra alger udsat for sollys, forårsaget af optagelse af uorganisk kulstof ved fotosyntese, samt identifikation af heterogeniteter i aggressive melanomceller fra pH-kort med høj opløsning.

Fremhæver real-time feedback-kontrolleret dynamisk 3-D kortlægning af ekstracellulær pH, som deres værktøj tillader, og kræftcellernes heterogeniteter, som de kan opdage "etiketfri og ved subcellulær opløsning", konkluderer de, "Denne metode kan hjælpe med kræftdiagnose, prognose, og ved evaluering af sure pHe [ekstracellulære pH] målrettede terapier. "

Begrænsninger af tidligere teknikker

De mest almindeligt anvendte pH -prober er i øjeblikket baseret på mikroelektroder, der er ret store i forhold til omfanget af pH -udsvingene af interesse i undersøgelser af ekstracellulær pH. Alternativer har været baseret på ændringer i fluorescensen af ​​molekyler, nuklear magnetisk resonansbilleddannelse og computertomografi med positronemission. Imidlertid, overvågning af fluorescens udsættes for baggrundsstøj og fotoblegning, og de andre teknikker har dårlig rumlig opløsning og øger vanskeligheder med kvantificering, fordi de er baseret på fordelingen af ​​sonder i væv.

Ved at bruge en nanopipette som en ionisk felt effekt transistor, forskerne var i stand til at overvinde de fleste problemer, der begrænsede tidligere teknikker. Imidlertid fører gensidig samme ladningsafvisning til Coulomb -blokadeeffekten, som begynder at hæmme diffusionen af ​​positivt ladede protonerede vandmolekyler i nanopipetten, og dette bremser responstiden.

Zwitterionisk membran

En zwitterion er et uladet molekyle, der indeholder modsat ladede funktionelle grupper. For den zwitterioniske membran i nanopipetten samler forskerne selv en hydrogel fra poly-l-lysin (PLL) og glucoseoxidase (GOx), som har fordele med hensyn til omkostninger og stabilitet. PLL har positivt ladede kvaternære amingrupper, og GOx har en negativt ladet carboxylsyrerestgruppe. Tilstedeværelsen af ​​glutaraldehyddamp kan derefter tværbinde den resulterende PLL/GOx -hydrogel.

Ved neutral pH præsenterer zwitterioniske membran både positivt og negativt ladede funktionelle grupper, men under lave pH -betingelser dominerer de positive amingrupper, så negative anioner fortrinsvis diffunderer gennem membranen og undgår en ionisk Coulomb -blokade.