Nanopipetten met zwitterionische membranen kunnen een betere monitoring bieden van veranderingen in pH rondom levende cellen, die kenmerken van invasieve kankercellen en hun reactie op behandeling kunnen aangeven, rapport onderzoekers van Kanazawa University in Natuurcommunicatie .

"Het wordt duidelijk dat een zure extracellulaire pH een essentiële rol speelt bij de progressie van kankercellen, invasiviteit en weerstand tegen therapie, " verklaren Yuri Korchev en Yasufumi Takahashi van het Nano Life Science Institute van Kanazawa University en Yanjun Zhang van Imperial College London en collega's van samenwerkende instellingen in het VK, China, Japan en Rusland in een recent artikel. Ondanks de groeiende erkenning van het belang van de pH direct rondom een ​​cel als een indicator van celgezondheid, technieken om het te meten blijven beperkt in termen van hun gevoeligheid, de ruimtelijke resolutie die ze kunnen bieden en de reactiesnelheid op pH-veranderingen. Melden in Natuurcommunicatie , Zhang, Takahashi en Korchev en collega's beschrijven een nanopipet pH-biosensor die gevoelig is voor veranderingen in pH van minder dan 0,01 eenheden met een responstijd van 2 ms en een ruimtelijke resolutie van 50 nm.

De onderzoekers ontwierpen de sensor oorspronkelijk als een nanopipet-ionische veldeffecttransistor, waarbij poorten de stroom van ionen in de nanopipet regelen in plaats van elektronen. Echter, terwijl dit problemen rond pH-gevoeligheid en ruimtelijke resolutie aanpakte, de metingen van het apparaat duurden nog enkele seconden voordat ze reageerden op pH-veranderingen als gevolg van ionische Coulomb-blokkade-effecten die de diffusiesnelheid van ionen belemmeren.

De oplossing Zhang, Takahashi en Korchev en collega's stellen nu voor om een ​​zwitterionisch membraan op te nemen om snellere reacties mogelijk te maken. Door gebruik te maken van een twin barrel nanopipet met het membraan in slechts één van de barrels konden de onderzoekers de andere barrel gebruiken als scanning ionic conductance microscope (SICM) voor gelijktijdige topologische metingen.

Het team testte het apparaat op levende kankercellen en liet zien hoe het apparaat verhogingen van de extracellulaire pH kon opvangen van invasieve fenotypes van borstkankercellen die geen oestrogeen hadden gekregen. Ze kunnen ook pH-veranderingen detecteren van algen die worden blootgesteld aan zonlicht, veroorzaakt door de opname van anorganische koolstof in fotosynthese, evenals het identificeren van heterogeniteiten in agressieve melanoomcellen van pH-kaarten met hoge resolutie.

Het benadrukken van de real-time feedback-gestuurde dynamische 3D-mapping van extracellulaire pH die hun tool mogelijk maakt, en de heterogeniteiten van kankercellen die het "labelvrij en met subcellulaire resolutie" kan detecteren, concluderen ze, "Deze methode kan helpen bij de diagnose van kanker, prognose, en bij het evalueren van zure pHe [extracellulaire pH] gerichte therapieën."

Beperkingen van eerdere technieken

De meest gebruikte pH-sondes op dit moment zijn gebaseerd op micro-elektroden die vrij groot zijn in vergelijking met de schaal van de pH-fluctuaties die van belang zijn in onderzoeken naar extracellulaire pH. Alternatieven zijn gebaseerd op veranderingen in de fluorescentie van moleculen, nucleaire magnetische resonantie beeldvorming en positron emissie computertomografie. Echter, monitoring van fluorescentie is onderhevig aan achtergrondruis en fotobleken, en de andere technieken hebben een slechte ruimtelijke resolutie en veroorzaken moeilijkheden bij kwantificering omdat ze gebaseerd zijn op de verdeling van sondes in weefsel.

Door een nanopipet als ionische veldeffecttransistor te gebruiken, de onderzoekers waren in staat om de meeste problemen te overwinnen die eerdere technieken beperkten. Wederzijdse dezelfde ladingsafstoting leidt echter tot het Coulomb-blokkade-effect, die de diffusie van positief geladen geprotoneerde watermoleculen in de nanopipet begint te remmen en dit vertraagt ​​de responstijd.

zwitterionisch membraan

Een zwitterion is een ongeladen molecuul dat tegengesteld geladen functionele groepen bevat. Voor het zwitterionische membraan in de nanopipet assembleren de onderzoekers zelf een hydrogel uit poly-l-lysine (PLL) en glucose-oxidase (GOx), wat voordelen heeft in termen van kosten en stabiliteit. De PLL heeft positief geladen quaternaire aminegroepen en de GOx heeft een negatief geladen carbonzuurrestgroep. De aanwezigheid van glutaaraldehydedamp kan dan de resulterende PLL/GOx-hydrogel verknopen.

Bij neutrale pH vertoont het zwitterionische membraan zowel positief als negatief geladen functionele groepen, maar bij lage pH-omstandigheden domineren de positieve aminegroepen, zodat negatieve anionen bij voorkeur door het membraan diffunderen en een ionische Coulomb-blokkade vermijden.