Nanopipetas com membranas zwitteriônicas podem oferecer monitoramento aprimorado de mudanças no pH ao redor das células vivas, que pode indicar características de células cancerosas invasivas e sua resposta ao tratamento, relatório de pesquisadores da Universidade de Kanazawa em Nature Communications .

"Está ficando claro que um pH extracelular ácido desempenha um papel essencial na progressão das células cancerosas, invasividade e resistência à terapia, "explica Yuri Korchev e Yasufumi Takahashi no Nano Life Science Institute da Kanazawa University e Yanjun Zhang no Imperial College London e colegas em instituições colaboradoras no Reino Unido, China, Japão e Rússia em um artigo recente. Apesar do crescente reconhecimento da importância do pH diretamente ao redor de uma célula como um indicador de saúde celular, técnicas para medi-lo permanecem limitadas em termos de sua sensibilidade, a resolução espacial que podem oferecer e a velocidade de resposta às mudanças de pH. Reportando Nature Communications , Zhang, Takahashi e Korchev e colegas descrevem um biossensor de pH nanopipeta que é sensível a mudanças no pH de menos de 0,01 unidades com um tempo de resposta de 2 ms e resolução espacial de 50 nm.

Os pesquisadores projetaram originalmente o sensor como um transistor de efeito de campo iônico nanopipeta - onde portas controlam o fluxo de íons na nanopipeta em vez de elétrons. Contudo, enquanto isso abordou questões em torno de sensibilidade de pH e resolução espacial, as leituras do dispositivo ainda levavam alguns segundos para responder às mudanças de pH devido aos efeitos do bloqueio iônico de Coulomb que dificultam a taxa de difusão dos íons.

A solução Zhang, Takahashi e Korchev e colegas agora propõem é incorporar uma membrana zwitteriônica para permitir respostas mais rápidas. Ao usar uma nanopipeta de cilindro duplo com a membrana em apenas um dos cilindros, os pesquisadores foram capazes de usar o outro cilindro como um microscópio de condutância iônica de varredura (SICM) para medições topológicas simultâneas.

A equipe testou o dispositivo em células cancerosas vivas e mostrou como o dispositivo pode detectar aumentos no pH extracelular de fenótipos invasivos de células cancerosas de mama que foram privadas de estrogênio. Eles também podem detectar mudanças de pH de algas expostas à luz solar, causada pela absorção de carbono inorgânico na fotossíntese, bem como identificar heterogeneidades em células de melanoma agressivas a partir de mapas de pH de alta resolução.

Destacando o mapeamento dinâmico 3-D controlado por feedback em tempo real do pH extracelular que sua ferramenta permite, e as heterogeneidades das células cancerosas que podem detectar "livres de marcadores e em resolução subcelular", concluem, "Este método pode ajudar no diagnóstico de câncer, prognóstico, e na avaliação de terapias direcionadas a pHe ácido [pH extracelular]. "

Limitações das técnicas anteriores

As sondas de pH mais comumente usadas atualmente são baseadas em microeletrodos que são bastante grandes em comparação com a escala das flutuações de pH de interesse em estudos de pH extracelular. As alternativas têm sido baseadas em mudanças na fluorescência das moléculas, imagem por ressonância magnética nuclear e tomografia computadorizada por emissão de pósitrons. Contudo, o monitoramento da fluorescência está sujeito a ruído de fundo e fotodegradação, e as outras técnicas têm resolução espacial pobre e aumentam a dificuldade de quantificação porque se baseiam na distribuição de sondas dentro do tecido.

Usando uma nanopipeta como um transistor de efeito de campo iônico, os pesquisadores conseguiram superar a maioria dos problemas que limitavam as técnicas anteriores. No entanto, a mesma repulsão de carga mútua leva ao efeito de bloqueio de Coulomb, que começa a inibir a difusão de moléculas de água protonadas carregadas positivamente na nanopipeta e isso retarda o tempo de resposta.

Membrana zwitteriônica

Um zwitterion é uma molécula sem carga contendo grupos funcionais com carga oposta. Para a membrana zwitteriônica na nanopipeta, os pesquisadores montam um hidrogel de poli-l-lisina (PLL) e glicose oxidase (GOx), o que apresenta vantagens em termos de custo e estabilidade. O PLL tem grupos amina quaternários carregados positivamente e o GOx tem um grupo de resíduos de ácido carboxílico carregado negativamente. A presença de vapor de glutaraldeído pode então reticular o hidrogel PLL / GOx resultante.

Em pH neutro, a membrana zwitteriônica apresenta grupos funcionais com carga positiva e negativa, mas em condições de baixo pH os grupos amina positivos dominam, de modo que os ânions negativos preferencialmente se difundem através da membrana, evitando o bloqueio de Coulomb iônico.