Las nanopipetas con membranas bipolares pueden ofrecer un mejor control de los cambios en el pH que rodean las células vivas. que puede indicar rasgos de células cancerosas invasoras y su respuesta al tratamiento, informan los investigadores de la Universidad de Kanazawa en Comunicaciones de la naturaleza .

"Cada vez está más claro que un pH ácido extracelular juega un papel esencial en la progresión de las células cancerosas, invasividad y resistencia a la terapia, "explican Yuri Korchev y Yasufumi Takahashi en el Nano Life Science Institute de la Universidad de Kanazawa y Yanjun Zhang en el Imperial College London y colegas de instituciones colaboradoras en el Reino Unido, Porcelana, Japón y Rusia en un artículo reciente. A pesar del creciente reconocimiento de la importancia del pH que rodea directamente a una célula como indicador de la salud celular, Las técnicas para medirlo siguen siendo limitadas en términos de su sensibilidad, la resolución espacial que pueden ofrecer y la velocidad de respuesta a los cambios de pH. Reportando en Comunicaciones de la naturaleza , Zhang, Takahashi y Korchev y sus colegas describen un biosensor de pH nanopipette que es sensible a cambios en el pH de menos de 0.01 unidades con un tiempo de respuesta de 2 ms y una resolución espacial de 50 nm.

Los investigadores diseñaron originalmente el sensor como un transistor de efecto de campo iónico nanopipette, donde las puertas controlan el flujo de iones en la nanopipette en lugar de electrones. Sin embargo, Si bien esto abordó problemas relacionados con la sensibilidad del pH y la resolución espacial, las lecturas del dispositivo aún tardaron unos segundos en responder a los cambios de pH debido a los efectos del bloqueo iónico de Coulomb que obstaculizan la velocidad de difusión de los iones.

La solución Zhang, Takahashi y Korchev y sus colegas ahora proponen es incorporar una membrana zwitteriónica para permitir respuestas más rápidas. Al utilizar una nanopipeta de barril doble con la membrana en solo uno de los barriles, los investigadores pudieron utilizar el otro barril como un microscopio de conductancia iónica de barrido (SICM) para realizar mediciones topológicas simultáneas.

El equipo probó el dispositivo en células cancerosas vivas y mostró cómo el dispositivo podía detectar aumentos en el pH extracelular de fenotipos invasivos de células de cáncer de mama que habían sido privadas de estrógeno. También podrían detectar cambios en el pH de las algas expuestas a la luz solar. causado por la absorción de carbono inorgánico en la fotosíntesis, así como identificar heterogeneidades en células de melanoma agresivas a partir de mapas de pH de alta resolución.

Destacando el mapeo 3D dinámico controlado por retroalimentación en tiempo real del pH extracelular que permite su herramienta, y las heterogeneidades de las células cancerosas que puede detectar "sin etiqueta y en resolución subcelular", concluyen, "Este método podría ayudar con el diagnóstico de cáncer, pronóstico, y en la evaluación de terapias dirigidas a pHe ácido [pH extracelular] ".

Limitaciones de técnicas anteriores

Las sondas de pH más utilizadas en la actualidad se basan en microelectrodos que son bastante grandes en comparación con la escala de las fluctuaciones de pH de interés en los estudios de pH extracelular. Las alternativas se han basado en cambios en la fluorescencia de moléculas, resonancia magnética nuclear y tomografía computarizada por emisión de positrones. Sin embargo, la monitorización de la fluorescencia está sujeta a ruido de fondo y fotoblanqueo, y las otras técnicas tienen una resolución espacial deficiente y plantean dificultades en la cuantificación porque se basan en la distribución de sondas dentro del tejido.

Al usar una nanopipeta como transistor de efecto de campo iónico, los investigadores pudieron superar la mayoría de los problemas que limitaban las técnicas anteriores. Sin embargo, la repulsión mutua de la misma carga conduce al efecto de bloqueo de Coulomb, que comienza a inhibir la difusión de moléculas de agua protonadas cargadas positivamente en el nanopipette y esto ralentiza el tiempo de respuesta.

Membrana de ion híbrido

Un zwiterión es una molécula sin carga que contiene grupos funcionales con carga opuesta. Para la membrana de ion híbrido en la nanopipeta, los investigadores autoensamblan un hidrogel de poli-l-lisina (PLL) y glucosa oxidasa (GOx), que tiene ventajas en términos de costo y estabilidad. El PLL tiene grupos amina cuaternarios cargados positivamente y el GOx tiene un grupo de residuo de ácido carboxílico cargado negativamente. La presencia de vapor de glutaraldehído puede entonces reticular el hidrogel de PLL / GOx resultante.

En pH neutro, la membrana bipolar presenta grupos funcionales cargados tanto positiva como negativamente, pero en condiciones de pH bajo los grupos amina positivos dominan de modo que los aniones negativos se difunden preferentemente a través de la membrana evitando un bloqueo de Coulomb iónico.