Om de cellen in ons lichaam als een eenheid te laten functioneren, ze moeten voortdurend met elkaar communiceren. Ze scheiden signaalmoleculen af:ionen, eiwitten en nucleïnezuren - die worden opgepikt door aangrenzende cellen, die op hun beurt het signaal doorgeven aan andere cellen. onze spieren, spijsverteringsstelsel en hersenen kunnen alleen functioneren dankzij dit soort communicatie. En dit is de enige manier waarop ons immuunsysteem ziekteverwekkers of geïnfecteerde cellen kan herkennen en dienovereenkomstig kan reageren - nogmaals, door signalen uit te zenden om de immuunafweer te mobiliseren. Als er iets mis gaat met deze signalering tussen cellen, het kan leiden tot ziekten zoals kanker of auto-immuunziekten. “Daarom is het belangrijk om te onderzoeken welke signalen de cellen in welke situaties afgeven, " zegt Morteza Aramesh. De biofysicus, die werkt in het laboratorium voor biosensoren en bio-elektronica aan de ETH Zürich, heeft een nieuwe methode ontwikkeld die precies dat doet:het luistert naar de communicatie tussen individuele cellen.

Een innovatieve nanosensor

Hoewel het in het verleden mogelijk was om deze signalen te meten, het kon alleen worden gedaan voor hele populaties van honderden of duizenden cellen. De methoden waren niet gevoelig genoeg om op individuele cellen te gebruiken, wat betekent dat de signaalmoleculen van individuele cellen waren ondergedompeld in het gemiddelde van de totale celpopulatie:"Het was onmogelijk om verschillen tussen cellen te detecteren om zieke cellen te identificeren, bijvoorbeeld, ' zegt Aramesh.

De nieuwe methode, die onlangs is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuur Nanotechnologie , is anders. Aramesh en zijn collega's gebruikten wat bekend staat als een vloeistofkrachtmicroscoop, voorzien van een speciale cantilever tip. Een cantilever is een kleine hefboomarm met een fijne punt die met dit type microscoop kan worden gebruikt om oppervlakken te scannen, zoals die van een cel. Nieuw is dat er een kleine sensor op de punt van de cantilever is geplaatst. Het bestaat uit een porie van siliciumnitride van slechts enkele nanometers groot, die registreert wanneer een cel moleculen vrijgeeft.

Hoe het werkt:transporteiwitten die zich in het celmembraan bevinden, regelen hoe een cel de signaalmoleculen vrijgeeft. De nieuwe nanopore-sensor heeft zo'n kleine diameter dat hij precies over een van deze transporteiwitten kan worden gepositioneerd en zo de moleculen die er doorheen stromen kan onderscheppen. De nanopore-sensor kan de ionenstroom meten, die verandert wanneer ionen of grotere biomoleculen, zoals eiwitten of nucleïnezuren, door de porie stromen. Afhankelijk van de aard en duur van de verandering in ionenstroom kunnen dan verschillende signaalmoleculen worden geïdentificeerd.

Individuele cellen van dichtbij bekijken

De onderzoekers hebben hun methode getest, die ze scanning nanopore microscopie noemen, op levende zenuwcellen uit hersenweefsel van ratten. Tot dusver, ze hebben onderscheid kunnen maken tussen individuele signaalmoleculen, zoals ionen en bepaalde eiwitten. De biofysici zijn nu van plan hun nanosensor verder te ontwikkelen om in de toekomst andere signaalmoleculen te kunnen identificeren. "Ons doel is om uiteindelijk alle signalen van een cel te kunnen analyseren, " zegt János Vörös, Hoofd van het Laboratorium voor Biosensoren en Bio-elektronica en laatste auteur van de publicatie. Niettemin, de methode kan al worden gebruikt om transporteiwitten in een levende cel te lokaliseren.

Bovendien, de nieuw ontwikkelde sensor heeft de onderzoekers in staat gesteld om ook in cellen te kijken, omdat de punt van de nanosensor zo delicaat is dat hij het celmembraan kan doorboren zonder blijvende schade. Binnen in de cel, dan is het mogelijk om te analyseren wat er uit de celkern wordt geëlimineerd. "RNA-fragmenten zijn hier van bijzonder belang, ", zegt Vörös. Ze geven inzicht in welke eiwitten een cel momenteel aanmaakt - een sleutelfactor bij het ontstaan ​​van veel ziekten.

"Onze methode biedt biologen volledig nieuwe manieren om het gedrag van individuele cellen te onderzoeken, ", voegt Vörös toe. Het kan niet alleen onderscheid maken tussen zieke en gezonde cellen, maar kan ook gebruikt worden bij de ontwikkeling van stamcellen of om te bepalen of cellen in het lab zich net zo gedragen als in het lichaam. De nieuwe methode zal in de toekomst waarschijnlijk helpen bij het beantwoorden van vele andere vragen.