Una sonda su scala nanometrica progettata per scivolare in una parete cellulare e fondersi con essa potrebbe offrire ai ricercatori un portale per intercettazioni estese sull'attività elettrica interna delle singole cellule.

Tutto, dai segnali generati mentre le cellule comunicano tra loro ai "rombi digestivi" mentre le cellule reagiscono ai farmaci, potrebbe essere monitorato fino a una settimana, dicono gli ingegneri di Stanford.

I metodi attuali per sondare una cellula sono così distruttivi che di solito consentono solo poche ore di osservazione prima che la cellula muoia. I ricercatori sono i primi a impiantare un dispositivo inorganico in una parete cellulare senza danneggiarla.

La caratteristica chiave del design della sonda è che imita i gateway naturali nella membrana cellulare, ha detto Nick Melosh, un assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali nel cui laboratorio è stata svolta la ricerca. Con modifica, la sonda potrebbe fungere da condotto per l'inserimento di farmaci nell'interno fortemente difeso di una cellula, Egli ha detto. Potrebbe anche fornire un metodo migliore per attaccare le protesi neurali, come le braccia artificiali controllate dai muscoli pettorali, o impianti cerebrali profondi utilizzati per il trattamento della depressione.

Il lungo 600 nanometri, la sonda di silicio rivestita di metallo si è integrata così facilmente nelle membrane in laboratorio, i ricercatori l'hanno battezzata la sonda "stealth".

"Le sonde si fondono spontaneamente nelle membrane e si formano bene, forti giunzioni lì, " disse Melosh. L'attaccamento è così forte, Egli ha detto, "Non possiamo estrarli. La membrana continuerà a deformarsi piuttosto che lasciar andare le sonde".

Melosh e Benjamin Almquist, uno studente laureato in scienze e ingegneria dei materiali, sono coautori di un articolo che descrive la ricerca pubblicato il 30 marzo in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze . Il documento è disponibile online.

Fino ad ora, fare un buco in una membrana cellulare si è basato in gran parte sulla forza bruta, ha detto Melosh.

"Possiamo praticamente fare dei buchi nelle celle usando l'aspirazione, possiamo usare l'alta tensione per perforare le loro membrane, entrambi sono abbastanza distruttivi, " ha detto. "Molte delle cellule non sopravvivono." Ciò limita la durata di eventuali osservazioni, in particolare misure elettriche della funzione cellulare.

La chiave per il facile inserimento della sonda - e il desiderio della membrana di trattenerla - è che Melosh e Almquist hanno basato il suo design su un tipo di proteina presente naturalmente nelle pareti cellulari che funge da gatekeeper, controllare quali molecole possono entrare o uscire.

Una membrana cellulare è essenzialmente una fortezza murata. All'interno del muro stesso c'è un idrorepellente, o idrofobico, zona. Poiché quasi tutte le molecole di un essere vivente sono solubili in acqua, la regione idrofobica funge da barriera per impedire alle molecole di scivolare attraverso la parete cellulare. L'unico modo per entrare o uscire è attraverso le proteine ​​specializzate che formano ponti attraverso la membrana.

Quei gateway proteici "transmembrana" corrispondono all'architettura della membrana, con una sezione centrale idrofoba delimitata da due idrosolubili, o idrofilo, strati.

"Quello che abbiamo fatto è creare una versione inorganica di una di quelle proteine ​​di membrana, che si trova nella membrana senza romperla, "Melosh ha detto. "Ora possiamo immaginare di usarlo per fare il nostro controllo del cancello."

Per costruire la loro sonda, Melosh e Almquist si sono appropriati dei metodi di nanofabbricazione dell'industria dei semiconduttori per realizzare minuscoli pali di silicio, le cui punte sono rivestite con tre sottili strati di metallo - uno strato d'oro tra due di cromo - per adattarsi alla struttura a sandwich della membrana. 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. Quella, 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, " ha detto. "Tuttavia, 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, " Egli ha detto.

"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.