Una sonda a escala nanométrica diseñada para deslizarse dentro de la pared celular y fusionarse con ella podría ofrecer a los investigadores un portal para escuchar durante un tiempo prolongado la actividad eléctrica interna de las células individuales.

Todo, desde las señales generadas cuando las células se comunican entre sí hasta los "ruidos digestivos" cuando las células reaccionan a la medicación, podría ser monitoreado hasta por una semana. dicen los ingenieros de Stanford.

Los métodos actuales para sondear una célula son tan destructivos que, por lo general, solo permiten unas pocas horas de observación antes de que la célula muera. Los investigadores son los primeros en implantar un dispositivo inorgánico en una pared celular sin dañarla.

La característica clave del diseño de la sonda es que imita las puertas de enlace naturales en la membrana celular, dijo Nick Melosh, un profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales en cuyo laboratorio se realizó la investigación. Con modificación, la sonda podría servir como un conducto para insertar medicamentos en el interior fuertemente defendido de una celda, él dijo. También podría proporcionar un método mejorado para colocar prótesis neurales, como brazos artificiales controlados por músculos pectorales, o implantes cerebrales profundos utilizados para tratar la depresión.

El de 600 nanómetros de largo, La sonda de silicio recubierta de metal se ha integrado tan suavemente en las membranas del laboratorio, los investigadores la han bautizado como la sonda "sigilosa".

"Las sondas se fusionan en las membranas de forma espontánea y se forman bien, fuertes uniones allí, "Melosh dijo. El apego es tan fuerte, él dijo, "No podemos sacarlos. La membrana seguirá deformándose en lugar de soltar las sondas".

Melosh y Benjamin Almquist, un estudiante de posgrado en ciencia e ingeniería de materiales, son coautores de un artículo que describe la investigación publicado el 30 de marzo en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias . El documento está disponible en línea.

Hasta ahora, hacer un agujero en la membrana celular se ha basado en gran medida en la fuerza bruta, Dijo Melosh.

"Básicamente, podemos hacer agujeros en las células mediante succión, podemos usar alto voltaje para perforar agujeros en sus membranas, ambos son bastante destructivos, ", dijo." Muchas de las células no sobreviven ". Eso limita la duración de cualquier observación, particularmente mediciones eléctricas de la función celular.

La clave para la fácil inserción de la sonda, y el deseo de la membrana de retenerla, es que Melosh y Almquist basaron su diseño en un tipo de proteína que se encuentra naturalmente en las paredes celulares y que actúa como guardián. controlando qué moléculas pueden entrar o salir.

Una membrana celular es esencialmente una fortaleza amurallada. Dentro de la pared hay un repelente de agua, o hidrofóbico, zona. Dado que casi todas las moléculas de un ser vivo son solubles en agua, la región hidrofóbica actúa como una barrera para evitar que las moléculas se deslicen a través de la pared celular. La única forma de entrar o salir es a través de proteínas especializadas que forman puentes a través de la membrana.

Esas puertas de enlace de proteínas "transmembrana" coinciden con la arquitectura de la membrana, con una sección central hidrofóbica delimitada por dos solubles en agua, o hidrofílico, capas.

"Lo que hemos hecho es crear una versión inorgánica de una de esas proteínas de membrana, que se asienta en la membrana sin romperla, "Dijo Melosh." Ahora podemos imaginarnos usándolo para hacer nuestro propio mantenimiento de la puerta ".

Para construir su sonda, Melosh y Almquist se apropiaron de los métodos de nanofabricación de la industria de los semiconductores para hacer pequeños postes de silicio. 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. Ese, 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, ", dijo." Sin embargo, 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, " él dijo.

"Idealmente, 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.