Stealth-sonde i nanoskala glider problemfrit ind i cellevæggene

En sonde i nanometerskala designet til at glide ind i en cellevæg og smelte sammen med den kunne tilbyde forskere en portal til udvidet aflytning af individuelle cellers indre elektriske aktivitet.

Alt fra signaler genereret når celler kommunikerer med hinanden til "fordøjelsesrumbling", da celler reagerer på medicin, kunne overvåges i op til en uge, siger Stanford-ingeniører.

Nuværende metoder til at sondere en celle er så ødelæggende, at de normalt kun tillader et par timers observation, før cellen dør. Forskerne er de første til at implantere en uorganisk enhed i en cellevæg uden at beskadige den.

Det centrale designtræk ved sonden er, at den efterligner naturlige gateways i cellemembranen, sagde Nick Melosh, en assisterende professor i materialevidenskab og teknik, i hvis laboratorium forskningen blev udført. Med ændring, sonden kan tjene som en kanal til at indsætte medicin i en celles stærkt forsvarede indre, han sagde. Det kan også give en forbedret metode til at fastgøre neurale proteser, såsom kunstige arme, der styres af brystmuskler, eller dybe hjerneimplantater, der bruges til behandling af depression.

Den 600 nanometer lange, metalbelagt siliciumsonde er integreret så smidigt i membraner i laboratoriet, forskerne har døbt den "stealth"-sonden.

"Sonderne smelter spontant ind i membranerne og danner gode, stærke knudepunkter der, " sagde Melosh. Tilknytningen er så stærk, han sagde, "Vi kan ikke trække dem ud. Membranen vil bare blive ved med at deformere i stedet for at slippe proberne."

Melosh og Benjamin Almquist, en kandidatstuderende i materialevidenskab og teknik, er medforfattere til et papir, der beskriver forskningen offentliggjort 30. marts i Procedurer fra National Academy of Sciences . Bladet er tilgængeligt online.

Indtil nu, At stikke hul i en cellemembran har stort set været afhængig af brutal force, Sagde Melosh.

"Vi kan stort set rive huller i cellerne ved hjælp af sugning, vi kan bruge højspænding til at punktere huller i deres membraner, som begge er ret destruktive, " sagde han. "Mange af cellerne overlever ikke." Det begrænser varigheden af ​​observationer, især elektriske målinger af cellefunktion.

Nøglen til sondens lette indsættelse - og membranens ønske om at beholde den - er, at Melosh og Almquist baserede sit design på en proteintype, der naturligt findes i cellevægge, der fungerer som portvagt, kontrollere, hvilke molekyler der tillades ind eller ud.

En cellemembran er i det væsentlige en muret fæstning. Inden i selve væggen er et vandafvisende middel, eller hydrofob, zone. Da næsten alle molekyler i et levende væsen er vandopløselige, det hydrofobe område fungerer som en barriere for at forhindre molekylerne i at glide gennem cellevæggen. Den eneste vej ind eller ud er via de specialiserede proteiner, der danner broer over membranen.

Disse "transmembrane" protein-gateways matcher membranens arkitektur, med en hydrofob centersektion afgrænset af to vandopløselige, eller hydrofil, lag.

"Det, vi har gjort, er at lave en uorganisk version af et af disse membranproteiner, som sidder i membranen uden at forstyrre den, "Sagde Melosh." Nu kan vi forestille os at bruge det til at lave vores egen portopbevaring. "

For at bygge deres sonde, Melosh and Almquist appropriated nanofabrication methods from the semiconductor industry to make tiny silicon posts, the tips of which they coated with three thin layers of metal - a layer of gold between two of chromium - to match the sandwich structure of the membrane. They then coated the gold band with carbon molecules to render it hydrophobic; the chromium bands are naturally hydrophilic.

"Getting that hydrophobic band just a few nanometers in thickness was an incredible technical challenge, " Melosh said. Applying such a thin layer to the tip of a probe only 200 nanometers in diameter was impossible using existing methods, so he and Almquist devised a new technique using metal deposition to create the thin band that was needed.

That carefully applied metal coating on the stealth probe could give researchers electrical access to the inside of a cell, where they might monitor the electrical impulses generated by various cellular activities, Melosh said. At, combined with the probe's stability in the membrane, could be a huge asset to studies of certain electrically excitable cells such as neurons, which send signals throughout the brain, spinal cord and other nerves.

A device called a "patch clamp" can be used to monitor those sorts of electrical signals among cells now, Melosh said, but in its current form, it is comparatively crude.

"You come in with it, touch it to the cell surface, apply suction and tear a hole in the cell to give you access, " he said. "However, it is a fairly slow procedure that has to be done one cell at a time, and it kills the cell within an hour or so."

"If the stealth probe will give us a long-term patch clamp, we'll really be able to get the ability to watch these networks over long periods of time, perhaps up to a week, " han sagde.

"Ideelt set what you'd like to be able to do is have an access port through the cell membrane that you can put things in or take things out, measure electrical currents … basically full control, " said Melosh. "That's really what we've shown - this is a platform upon which you can start building those kinds of devices."

The next step is to demonstrate the functionality of the probe in living cells. Almquist and Melosh are now working with human red blood cells and cervical cancer cells, as well as ovary cells from a species of hamster.