Een sonde op nanometerschaal die is ontworpen om in een celwand te glippen en ermee samen te smelten, zou onderzoekers een portaal kunnen bieden voor langdurig afluisteren van de innerlijke elektrische activiteit van individuele cellen.

Alles, van signalen die worden gegenereerd als cellen met elkaar communiceren tot 'gerommel van de spijsvertering' als cellen reageren op medicatie, kan tot een week worden gevolgd, zeggen Stanford-ingenieurs.

De huidige methoden om een ​​cel te onderzoeken zijn zo destructief dat ze meestal maar een paar uur kunnen worden geobserveerd voordat de cel sterft. De onderzoekers implanteren als eersten een anorganisch apparaatje in een celwand zonder deze te beschadigen.

Het belangrijkste ontwerpkenmerk van de sonde is dat het natuurlijke poorten in het celmembraan nabootst, zei Nick Melosh, een assistent-professor materiaalkunde en techniek in wiens laboratorium het onderzoek is gedaan. Met wijziging, de sonde kan dienen als een kanaal voor het inbrengen van medicatie in het zwaar verdedigde binnenste van een cel, hij zei. Het zou ook een verbeterde methode kunnen bieden voor het bevestigen van neurale protheses, zoals kunstarmen die worden aangestuurd door borstspieren, of diepe hersenimplantaten die worden gebruikt voor de behandeling van depressie.

De 600 nanometer lange, met metaal beklede siliciumsonde is zo soepel geïntegreerd in membranen in het laboratorium, de onderzoekers hebben het de "stealth" -sonde genoemd.

"De sondes smelten spontaan in de membranen en vormen goede, sterke knooppunten daar, " zei Melosh. De gehechtheid is zo sterk, hij zei, "We kunnen ze er niet uittrekken. Het membraan zal gewoon blijven vervormen in plaats van de sondes los te laten."

Melosh en Benjamin Almquist, een afgestudeerde student in materiaalkunde en techniek, zijn co-auteurs van een paper waarin het onderzoek wordt beschreven dat op 30 maart is gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences . De krant is online beschikbaar.

Tot nu toe, het prikken van een gat in een celmembraan berustte grotendeels op brute kracht, zei Melosh.

"We kunnen in principe gaten in de cellen scheuren met behulp van zuigkracht, we kunnen hoogspanning gebruiken om gaten in hun membranen te prikken, die beide vrij destructief zijn, "zei hij. "Veel van de cellen overleven het niet." Dat beperkt de duur van waarnemingen, in het bijzonder elektrische metingen van celfunctie.

De sleutel tot het gemakkelijk inbrengen van de sonde - en de wens van het membraan om het vast te houden - is dat Melosh en Almquist het ontwerp hebben gebaseerd op een type eiwit dat van nature in celwanden wordt aangetroffen en dat als poortwachter fungeert. bepalen welke moleculen erin of eruit mogen.

Een celmembraan is in wezen een ommuurde vesting. Binnen de muur zelf is een waterafstotend, of hydrofoob, zone. Aangezien bijna alle moleculen in een levend wezen in water oplosbaar zijn, het hydrofobe gebied fungeert als een barrière om te voorkomen dat de moleculen door de celwand glippen. De enige weg naar binnen of naar buiten is via de gespecialiseerde eiwitten die bruggen over het membraan vormen.

Die "transmembraan" eiwitgateways passen bij de architectuur van het membraan, met een hydrofoob middengedeelte begrensd door twee in water oplosbare, of hydrofiel, lagen.

"Wat we hebben gedaan, is een anorganische versie maken van een van die membraaneiwitten, die in het membraan zit zonder het te verstoren, "Zei Melosh. "Nu kunnen we ons voorstellen dat we het gebruiken voor onze eigen poortwachters."

Om hun sonde te bouwen, Melosh and Almquist appropriated nanofabrication methods from the semiconductor industry to make tiny silicon posts, 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. Dat, 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, "zei hij. "Echter, 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, " hij zei.

"Ideaal, 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.