Voor de eerste keer, wetenschappers zijn erin geslaagd de stroom in membraankanalen van samentrekkende hartcellen te registreren. Om dit te doen, de wetenschappers combineerden een atoomkrachtmicroscoop met een veelgebruikte methode voor het meten van elektrische signalen in cellen.

Elektrische impulsen spelen een belangrijke rol in cellen van het menselijk lichaam. Bijvoorbeeld, neuronen gebruiken deze impulsen om informatie langs hun takken te verzenden en het lichaam gebruikt ze ook om de samentrekking van spieren te regelen. De impulsen worden gegenereerd wanneer speciale kanaaleiwitten zich openen in de buitenste envelop van de cellen, waardoor geladen moleculen (ionen) de cel kunnen binnenkomen of verlaten. Deze eiwitten worden ionkanalen genoemd. Sinds de jaren zeventig, voor onderzoekers een methode beschikbaar is waarmee de activiteit van deze kanalen kan worden gemeten, maar tot nu toe is deze methode voornamelijk gebruikt op cellen die niet bewegen. Elektrotechnici van ETH Zürich en biologen van de Universiteit van Bern hebben de methode nu verder ontwikkeld, zodat ze gemakkelijk de activiteit van bewegende cellen kunnen registreren, zoals het slaan van hartspiercellen in een weefselkweekschaal.

De bestaande methode houdt in dat een glazen pipet tegen het buitenmembraan van een cel wordt geplaatst. De opening aan de punt van de pipet is zo klein dat deze slechts een fractie van het celoppervlak raakt. Ideaal, dit kleine stukje celmembraan heeft precies één ionkanaal. De binnenkant van de pipet is gevuld met een geleidende vloeistof en een elektrode, waarmee het mogelijk is om verschillen in de lading tussen het buitenste deel van de cel en het celinterieur (d.w.z. een elektrische potentiaal) en tijdelijke veranderingen in deze potentiaal als gevolg van activiteit in de ionenkanalen te meten. De methode wordt de patch-clamp-techniek genoemd omdat de pipet wordt gebruikt om een ​​patch van het celmembraan vast te klemmen.

Atoomkrachtmicroscoop met micro-injectienaald

Onder leiding van Tomaso Zambelli, een docent aan het Institute of Biomedical Engineering aan de ETH Zürich, en Hugues Abriël, een professor aan de afdeling Klinisch Onderzoek van de Universiteit van Bern, de onderzoekers hebben deze techniek nu gecombineerd met een atomic force microscoop. Een sensortip zit op een beweegbare houder - een zogenaamde cantilever - om het oppervlak van het microscopische object te scannen. Een aantal jaar geleden, de onderzoekers zijn erin geslaagd om sensortips te maken met een intern kanaal, waarmee de computergestuurde injectie van moleculen in een cel mogelijk is. Deze techniek wordt nu op de markt gebracht door de ETH-spin-off Cytosurge. Echter, de wetenschappers zetten de ontwikkeling van deze techniek voort door de micro-injectienaald te voorzien van een elektrode om patch-clamp-metingen uit te voeren. De onderzoekers hebben de succesvolle resultaten van deze onderneming nu gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters .

De patch-clamp-techniek is niet alleen een centrale methode voor fundamenteel onderzoek in de celbiologie, het wordt ook routinematig gebruikt bij de ontwikkeling van nieuwe medicijnen. Bijvoorbeeld, de farmaceutische industrie is wettelijk verplicht om als onderdeel van het goedkeuringsproces voor nieuwe medicijnen te testen of deze medicijnen interageren met ionkanalen. Een geneesmiddel dat ionkanalen blokkeert, kan ernstige hartritmestoornissen veroorzaken bij patiënten, die koste wat kost vermeden moeten worden.

Langere metingen en automatisering mogelijk

In het geval van de conventionele patch-clamp-techniek, een operator plaatst de pipet handmatig tegen de cel; hoewel er geautomatiseerde procedures bestaan, hun toepassingen zijn beperkt. Dus, de te testen cellen moeten dezelfde grootte en vorm hebben en mogen niet bewegen (zoals hartcellen doen).

In het geval van de nieuwe methode de micronaald wordt bestuurd door een computer met behulp van krachtmetingen van de atoomkrachtmicroscoop om deze op een constante korte afstand van het celoppervlak te houden. "Dit maakt het contact tussen naald en cel veel stabieler, waarmee we over een langere periode kunnen meten en zelfs bewegende cellen kunnen testen, " legt Zambelli uit. Voor de eerste keer, onderzoekers zijn er dus in geslaagd elektrische potentiaalveranderingen in de ionenkanalen van kloppende hartcellen te meten. Zambelli zegt dat hij zich dit ook kan voorstellen als basis voor de ontwikkeling van een geautomatiseerde methode voor het testen van elke cel, ongeacht de vorm of grootte.