Cellen in ons lichaam delen en veranderen in de loop van de tijd, met duizenden chemische reacties die dagelijks in elke cel plaatsvinden. Dit maakt het moeilijk voor wetenschappers om te begrijpen wat er binnenin gebeurt. Nutsvoorzieningen, kleine nanostraws ontwikkeld door Stanford-onderzoekers bieden een methode om celinhoud te bemonsteren zonder de natuurlijke processen te verstoren.

Een probleem met de huidige methode van celbemonstering, lyseren genoemd, is dat het de cel breekt. Zodra de cel is vernietigd, het kan niet opnieuw worden gesampled. Dit nieuwe bemonsteringssysteem is gebaseerd op minuscule buisjes die 600 keer kleiner zijn dan een haarlok waarmee onderzoekers één cel tegelijk kunnen bemonsteren. De nanorietjes dringen door het buitenmembraan van een cel, zonder het te beschadigen, en halen eiwitten en genetisch materiaal uit het zoute binnenste van de cel.

"Het is als een bloedafname voor de cel, " zei Nicholas Melosh, een universitair hoofddocent materiaalkunde en engineering en senior auteur van een paper waarin het recentelijk gepubliceerde werk wordt beschreven Proceedings van de National Academy of Sciences .

Niet-destructieve bewaking

De nanostraw-bemonsteringstechniek, volgens Melosh, zal een aanzienlijke invloed hebben op ons begrip van celontwikkeling en zou kunnen leiden tot veel veiligere en effectieve medische therapieën omdat de techniek op lange termijn mogelijk is, niet-destructieve monitoring.

"Wat we hopen te doen, met behulp van deze technologie, is om te kijken hoe deze cellen in de loop van de tijd veranderen en om te kunnen afleiden hoe verschillende omgevingscondities en 'chemische cocktails' hun ontwikkeling beïnvloeden - om het therapieproces te helpen optimaliseren, ' zei Melosh.

Als onderzoekers volledig kunnen begrijpen hoe een cel werkt, dan kunnen ze behandelingen ontwikkelen die deze processen direct aanpakken. Bijvoorbeeld, in het geval van stamcellen, onderzoekers ontdekken manieren om hele, patiëntspecifieke organen. De truc is, wetenschappers weten niet echt hoe stamcellen zich ontwikkelen.

"Voor stamcellen, we weten dat ze in veel andere celtypen kunnen veranderen, maar we kennen de evolutie niet - hoe gaan ze van stamcellen naar, zeggen, hartcellen? Er is altijd een mysterie. Deze bemonsteringstechniek geeft ons een duidelijker beeld van hoe het moet, " zei Yuhong Cao, een afgestudeerde student en eerste auteur op het papier.

De bemonsteringstechniek kan ook kankerbehandelingen informeren en vragen beantwoorden over waarom sommige kankercellen resistent zijn tegen chemotherapie en andere niet.

"Met chemotherapie, er zijn altijd cellen die resistent zijn, " zei Cao. "Als we het intercellulaire mechanisme van de overlevende cellen kunnen volgen, wij kunnen het weten, genetisch, zijn reactie op het medicijn."

Biologie nabootsen

Het bemonsteringsplatform waarop de nanorietjes worden gekweekt, is klein - ongeveer zo groot als een kauwgombal. Het heet het Nanostraw Extraction (NEX) bemonsteringssysteem, en het was ontworpen om de biologie zelf na te bootsen.

In ons lichaam, cellen zijn verbonden door een systeem van "poorten" waardoor ze elkaar voedingsstoffen en moleculen sturen, als kamers in een huis verbonden door deuropeningen. Deze intercellulaire poorten, gap junctions genoemd, zijn wat Melosh zes jaar geleden inspireerde, toen hij een niet-destructieve manier probeerde te vinden om stoffen af ​​te leveren, zoals DNA of medicijnen, binnen cellen. Het nieuwe NEX-bemonsteringssysteem is het omgekeerde, observeren wat er binnenin gebeurt in plaats van iets nieuws af te leveren.

"Het is een super spannende tijd voor nanotechnologie, "Zei Melosh. "We komen echt op een schaal waar wat we controleerbaar kunnen maken even groot is als biologische systemen."

Het nanostraw-bemonsteringssysteem perfectioneren

Het bouwen van het NEX-bemonsteringssysteem kostte jaren om te perfectioneren. Melosh en zijn team moesten er niet alleen voor zorgen dat celbemonstering met deze methode mogelijk was, ze moesten zien dat de monsters eigenlijk een betrouwbare maatstaf waren voor het celgehalte, en dat monsters, wanneer het in de loop van de tijd wordt ingenomen, consequent gebleven.

Toen het team hun celmonsters uit de NEX vergeleek met celmonsters die waren genomen door de cellen open te breken, ze ontdekten dat 90 procent van de monsters congruent was. Het team van Melosh ontdekte ook dat wanneer ze dag in dag uit een groep cellen bemonsterden, bepaalde moleculen die op constante niveaus aanwezig zouden moeten zijn, bleven hetzelfde, wat aangeeft dat hun bemonstering nauwkeurig het interieur van de cel weerspiegelde.

Met hulp van medewerkers Sergiu P. Pasca, universitair docent psychiatrie en gedragswetenschappen, en Joseph Wu, hoogleraar radiologie, Melosh en collega's testten de NEX-bemonsteringsmethode niet alleen met generieke cellijnen, maar ook met menselijk hartweefsel en hersencellen gekweekt uit stamcellen. In ieder geval, de nanostraw-bemonstering weerspiegelde dezelfde cellulaire inhoud als het lyseren van de cellen.

Het doel van de ontwikkeling van deze technologie, volgens Melosh, was om een ​​impact te maken in de medische biologie door een platform te bieden dat elk laboratorium zou kunnen bouwen. Slechts een paar laboratoria over de hele wereld, tot dusver, gebruiken nanorietjes in celonderzoek, maar Melosh verwacht dat dat aantal drastisch zal groeien.

"We willen dat zoveel mogelijk mensen deze technologie gebruiken, " zei hij. "We proberen de wetenschap en technologie vooruit te helpen om de mensheid ten goede te komen."