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El biosensor nuevo del nanopipette pH podía ayudar con diagnosis y el tratamiento del cáncer

Nanopipettes con las membranas zwitterionic puede ofrecer la supervisión perfeccionada de cambios en el pH que las células vivas de alrededor, que pueden indicar rasgos de células cancerosas invasores y de su reacción al tratamiento, denuncian a investigadores en la universidad de Kanazawa en comunicaciones de la naturaleza.

El biosensor nuevo del nanopipette pH podía ayudar con diagnosis y el tratamiento del cáncer
La operación del nanoprobe del doble-cañón de arma de fuego para la proyección de imagen simultánea de SICM y la medición del pH. Cortesía de las comunicaciones de la naturaleza

“Está claro que se convierte que un pH extracelular ácido desempeña un papel esencial en la progresión, la invasividad y la resistencia de la célula cancerosa a la terapia,” explica Yuri Korchev y Yasufumi Takahashi en el instituto nano de las ciencias de la vida de la universidad de Kanazawa y de Yanjun Zhang en la universidad imperial Londres y los colegas en las instituciones de colaboración en el Reino Unido, la China, el Japón y la Rusia en un papel reciente.

A pesar del reconocimiento cada vez mayor de la importancia del pH que rodea directamente una célula como indicador de la salud de la célula, las técnicas para medirlo siguen siendo hasta ahora limitadas en términos de su sensibilidad, la resolución espacial que pueden ofrecer y la velocidad de la reacción a los cambios de pH. Denunciando en comunicaciones de la naturaleza, Zhang, Takahashi y Korchev y los colegas describen un biosensor del nanopipette pH que sea sensible a los cambios en el pH de menos de 0,01 unidades con un tiempo de reacción del ms 2 y de la resolución espacial de 50 nanómetro.

Los investigadores diseñaron originalmente el sensor como transistor de efecto de campo iónico del nanopipette - donde las entradas controlan el flujo de iones en el nanopipette en vez de electrones. Sin embargo, mientras que ésta abordó entregas alrededor de sensibilidad del pH y de la resolución espacial, las lecturas del dispositivo todavía tardaron algunos segundos para responder a los cambios de pH debido a los efectos iónicos del bloqueo del culombio que obstaculizaban el índice de la difusión de iones.

La solución Zhang, Takahashi y Korchev y colegas ahora propone es incorporar una membrana zwitterionic para habilitar reacciones más rápidas. Usando un nanopipette gemelo del cañón de arma de fuego con la membrana en apenas una de los cañones de arma de fuego los investigadores podían utilizar el otro cañón de arma de fuego como microscopio iónico de la conductancia de la exploración (SICM) para las mediciones topológicas simultáneas.

Las personas probaron el dispositivo en las células cancerosas vivas y mostraron cómo el dispositivo podría tomar en aumentos en el pH extracelular de fenotipos invasores de las células cancerosas del pecho que habían sido privadas del estrógeno. Podrían también descubrir cambios de pH de las algas expuestas a la luz del sol, causada por la absorción del carbono inorgánico en fotosíntesis, así como determinar heterogeneidades en células agresivas del melanoma de mapas de alta resolución del pH.

Destacando la correspondencia dinámica reacción-controlada 3D del tiempo real del pH extracelular que su herramienta permite, y las heterogeneidades de las células cancerosas que puede descubrir “escritura de la etiqueta-libre y en la resolución subcelular” concluyen, “este método podrían ayudar con la diagnosis del cáncer, el pronóstico, y en evaluando terapias apuntadas ácidas del pHe [pH extracelular].”

Fondo

Limitaciones de técnicas anteriores

Las antenas más de uso general del pH se basan actualmente en los microelectrodos que son muy grandes con respecto a la escala de las fluctuaciones del pH del interés en estudios del pH extracelular. Las opciones se han basado en cambios en la fluorescencia de moléculas, de la proyección de imagen de resonancia magnética nuclear y de la tomografía calculada de la emisión de positrones. Sin embargo, vigilar fluorescencia está conforme a ruido de fondo y a photobleaching, y las otras técnicas tienen resolución espacial pobre y plantean dificultades en la cuantificación porque se basan en la distribución de antenas dentro del tejido.

Usando un nanopipette como transistor de efecto de campo iónico, los investigadores podían vencer la mayor parte de las entregas que limitaban técnicas anteriores. No obstante es mutuo la misma repulsión de la carga lleva al bloqueo del culombio el efecto, que comienza a inhibir la difusión de positivo - las moléculas de agua protonated cargadas en el nanopipette y éste retrasa el tiempo de reacción.

Membrana de Zwitterionic

Un zwitterion es una molécula uncharged que contiene a grupos funcionales opposingly cargados. Para la membrana zwitterionic en el nanopipette los investigadores uno mismo-montan un hidrogel de la oxidasis (PLL) de la polivinílico-l-lisina y de glucosa (GOx), que tiene ventajas en términos de costo y estabilidad. El PLL tiene positivo - los grupos cuaternarios cargados de la amina y el GOx tiene a negativo - grupo de residuo cargado del ácido carboxílico. La presencia de vapor del aldehído glutárico puede entonces reticular el hidrogel resultante de PLL/GOx.

En el pH neutral la membrana zwitterionic presenta positivo y negativo - los grupos funcionales cargados pero en condiciones inferiores del pH los grupos positivos de la amina dominan de modo que los aniones negativos difundan preferencial a través de la membrana que evita un bloqueo iónico del culombio.

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.