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O biosensor novo do pH do nanopipette podia ajudar com diagnóstico e tratamento do cancro

Nanopipettes com membranas zwitterionic pode oferecer a monitoração melhorada das mudanças nas pilhas vivas de cerco do pH, que podem indicar traços de células cancerosas invasoras e de sua resposta ao tratamento, relata pesquisadores na universidade de Kanazawa em comunicações da natureza.

O biosensor novo do pH do nanopipette podia ajudar com diagnóstico e tratamento do cancro
A operação do nanoprobe do dobro-tambor para a imagem lactente de SICM e a medida simultâneas do pH. Cortesia de comunicações da natureza

“É espaço livre tornando-se que um pH extracelular ácido joga um papel essencial na progressão, no invasiveness e na resistência da célula cancerosa à terapia,” explica Yuri Korchev e Yasufumi Takahashi no instituto Nano da ciência da vida da universidade de Kanazawa e do Yanjun Zhang na faculdade imperial Londres e nos colegas nas instituições de colaboração no Reino Unido, na China, no Japão e na Rússia em um papel recente.

Apesar do reconhecimento crescente da importância do pH que cerca directamente uma pilha como um indicador da saúde da pilha, as técnicas para medi-lo permanecem até agora limitadas em termos de sua sensibilidade, a definição que espacial podem oferecer e a velocidade da resposta às mudanças de pH. Relatando em comunicações da natureza, Zhang, Takahashi e Korchev e os colegas descrevem um biosensor do pH do nanopipette que seja sensível às mudanças no pH de menos de 0,01 unidades com um tempo de resposta da Senhora 2 e da definição espacial de 50 nanômetro.

Os pesquisadores projectaram originalmente o sensor como um transistor de efeito de campo iónico do nanopipette - onde as portas controlam o fluxo dos íons no nanopipette em vez dos elétrons. Contudo, quando esta abordou edições em torno da sensibilidade do pH e da definição espacial, as leituras do dispositivo ainda tomaram alguns segundos para responder às mudanças de pH devido aos efeitos iónicos do bloqueio do culômbio que impedem da taxa da difusão de íons.

A solução Zhang, Takahashi e Korchev e colegas propor agora é incorporar uma membrana zwitterionic para permitir umas respostas mais rápidas. Usando um nanopipette gêmeo do tambor com a membrana em apenas um dos tambores os pesquisadores podiam usar o outro tambor como um microscópio iónico da condutibilidade da exploração (SICM) para medidas topológicas simultâneas.

A equipe testou o dispositivo em células cancerosas vivas e mostrou como o dispositivo poderia pegarar em aumentos no pH extracelular dos fenótipos invasores das pilhas de cancro da mama que tinham sido privadas da hormona estrogénica. Podiam igualmente detectar mudanças de pH das algas expor à luz solar, causada pela tomada do carbono inorgánico na fotossíntese, assim como identificar heterogeneidade em pilhas agressivas da melanoma dos mapas de alta resolução do pH.

Destacando o traço 3D dinâmico feedback-controlado do tempo real do pH extracelular que sua ferramenta reserva, e as heterogeneidade das células cancerosas que pode detectar “etiqueta-livre e na definição subcelular” concluem, “este método poderiam ajudar com diagnóstico do cancro, o prognóstico, e em avaliando terapias visadas ácidas do pHe [pH extracelular].”

Fundo

Limitações de técnicas precedentes

As pontas de prova as mais de uso geral do pH são baseadas presentemente nos microelétrodos que são bastante grandes em comparação com a escala das flutuações do pH do interesse nos estudos do pH extracelular. As alternativas foram baseadas em mudanças na fluorescência das moléculas, da ressonância magnética nuclear e do tomografia computorizada de emissão de positrão. Contudo, monitorar a fluorescência é sujeita ao ruído de fundo e a photobleaching, e as outras técnicas têm a definição espacial deficiente e levantam dificuldades na quantificação porque são baseadas na distribuição das pontas de prova dentro do tecido.

Usando um nanopipette como um transistor de efeito de campo iónico, os pesquisadores podiam superar a maioria das edições que limitam técnicas precedentes. Porém mútuo a mesma repulsa da carga conduz ao bloqueio do culômbio o efeito, que começa inibir a difusão de positivamente - moléculas de água protonated cobradas no nanopipette e neste retarda o tempo de resposta.

Membrana de Zwitterionic

Um zwitterion é uma molécula uncharged que contem grupos funcionais opposingly cobrados. Para a membrana zwitterionic no nanopipette os pesquisadores auto-montam um hydrogel da oxidase (PLL) da poli-l-lisina e de glicose (GOx), que tem vantagens em termos do custo e da estabilidade. O PLL tem positivamente - os grupos quaternários cobrados da amina e o GOx têm a negativamente - o grupo de resíduo cobrado do ácido carboxylic. A presença de vapor do glutaraldehyde pode então ligar o hydrogel resultante de PLL/GOx.

No pH neutro a membrana zwitterionic apresenta positivamente e negativamente - os grupos funcionais cobrados mas em baixas condições do pH os grupos positivos da amina dominam de modo que os aníons negativos difundam preferencial através da membrana que evita um bloqueio iónico do culômbio.

Source:
Journal reference:

Zhang, Y., et al. (2019) High-resolution label-free 3D mapping of extracellular pH of single living cells. Nature Communications. doi.org/10.1038/s41467-019-13535-1.