Le cellule del nostro corpo si dividono e cambiano nel tempo, con migliaia di reazioni chimiche che avvengono giornalmente all'interno di ogni cellula. Questo rende difficile per gli scienziati capire cosa sta succedendo all'interno. Ora, minuscole nanocannucce sviluppate dai ricercatori di Stanford offrono un metodo per campionare il contenuto delle cellule senza interromperne i processi naturali.

Un problema con l'attuale metodo di campionamento cellulare, chiamato lisi, è che rompe la cellula. Una volta che la cellula è distrutta, non può essere campionato di nuovo. Questo nuovo sistema di campionamento si basa su minuscoli tubi 600 volte più piccoli di una ciocca di capelli che consentono ai ricercatori di campionare una singola cellula alla volta. Le nanocannucce penetrano nella membrana esterna di una cellula, senza danneggiarlo, ed estrarre proteine ​​e materiale genetico dall'interno salato della cellula.

"È come un prelievo di sangue per la cellula, " ha detto Nicholas Melosh, un professore associato di scienza e ingegneria dei materiali e autore senior di un articolo che descrive il lavoro pubblicato di recente in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

Monitoraggio non distruttivo

La tecnica di campionamento della nanopaglia, secondo Melosh, avrà un impatto significativo sulla nostra comprensione dello sviluppo cellulare e potrebbe portare a terapie mediche molto più sicure ed efficaci perché la tecnica consente a lungo termine, monitoraggio non distruttivo.

"Quello che speriamo di fare, utilizzando questa tecnologia, è osservare come queste cellule cambiano nel tempo ed essere in grado di dedurre come le diverse condizioni ambientali e i "cocktail chimici" influenzino il loro sviluppo - per aiutare a ottimizzare il processo di terapia, " disse Melosh.

Se i ricercatori possono comprendere appieno come funziona una cellula, quindi possono sviluppare trattamenti che affronteranno direttamente quei processi. Per esempio, nel caso delle cellule staminali, i ricercatori stanno scoprendo modi per crescere interi, organi specifici del paziente. Il trucco è, gli scienziati non sanno davvero come si sviluppano le cellule staminali.

"Per le cellule staminali, sappiamo che possono trasformarsi in molti altri tipi di cellule, ma non conosciamo l'evoluzione:come passano dalle cellule staminali a, dire, cellule cardiache? C'è sempre un mistero. Questa tecnica di campionamento ci darà un'idea più chiara di come è fatto, " disse Yuhong Cao, uno studente laureato e primo autore della carta.

La tecnica di campionamento potrebbe anche informare i trattamenti contro il cancro e rispondere a domande sul motivo per cui alcune cellule tumorali sono resistenti alla chemioterapia mentre altre no.

"Con la chemioterapia, ci sono sempre cellule resistenti, " disse Cao. "Se possiamo seguire il meccanismo intercellulare delle cellule sopravvissute, possiamo sapere, geneticamente, la sua risposta al farmaco".

Imitare la biologia

La piattaforma di campionamento su cui vengono coltivate le nanocannucce è minuscola, delle dimensioni di una gomma da masticare. Si chiama sistema di campionamento Nanostraw Extraction (NEX), ed è stato progettato per imitare la biologia stessa.

Nei nostri corpi, le cellule sono collegate da un sistema di "porte" attraverso le quali si inviano reciprocamente nutrienti e molecole, come stanze di una casa collegate da porte. Queste porte intercellulari, chiamate giunzioni spaziali, sono ciò che ha ispirato Melosh sei anni fa, quando stava cercando di determinare un modo non distruttivo di consegnare sostanze, come DNA o medicine, all'interno delle cellule. Il nuovo sistema di campionamento NEX è il contrario, osservando ciò che sta accadendo all'interno piuttosto che fornire qualcosa di nuovo.

"È un momento super eccitante per la nanotecnologia, "Melosh ha detto. "Stiamo davvero arrivando a una scala in cui ciò che possiamo fare in modo controllabile è della stessa dimensione dei sistemi biologici".

Perfezionamento del sistema di campionamento della nanopaglia

La costruzione del sistema di campionamento NEX ha richiesto anni per perfezionarsi. Non solo Melosh e il suo team dovevano garantire che il campionamento cellulare con questo metodo fosse possibile, avevano bisogno di vedere che i campioni erano effettivamente una misura affidabile del contenuto cellulare, e che campioni, se assunto nel tempo, rimasto coerente.

Quando il team ha confrontato i campioni di cellule del NEX con campioni di cellule prelevati aprendo le cellule, hanno scoperto che il 90 percento dei campioni era congruo. Il team di Melosh ha anche scoperto che quando hanno prelevato campioni da un gruppo di cellule giorno dopo giorno, alcune molecole che dovrebbero essere presenti a livelli costanti sono rimaste le stesse, indicando che il loro campionamento rifletteva accuratamente l'interno della cellula.

Con l'aiuto dei collaboratori Sergiu P. Pasca, assistente professore di psichiatria e scienze comportamentali, e Giuseppe Wu, professore di radiologia, Melosh e collaboratori hanno testato il metodo di campionamento NEX non solo con linee cellulari generiche, ma anche con tessuto cardiaco umano e cellule cerebrali cresciute da cellule staminali. In ogni caso, il campionamento della nanopaglia rifletteva lo stesso contenuto cellulare della lisi delle cellule.

L'obiettivo di sviluppare questa tecnologia, secondo Melosh, era quello di avere un impatto nella biologia medica fornendo una piattaforma che qualsiasi laboratorio potesse costruire. Solo pochi laboratori in tutto il mondo, finora, stanno impiegando nanocannucce nella ricerca cellulare, ma Melosh si aspetta che quel numero cresca drammaticamente.

"Vogliamo che più persone possibile utilizzino questa tecnologia, " ha detto. "Stiamo cercando di aiutare a far progredire la scienza e la tecnologia a beneficio dell'umanità".