Uma sonda em escala nanométrica projetada para deslizar em uma parede celular e se fundir com ela pode oferecer aos pesquisadores um portal para escuta prolongada da atividade elétrica interna de células individuais.

Tudo, desde sinais gerados conforme as células se comunicam entre si até "ruídos digestivos" conforme as células reagem à medicação, podem ser monitorados por até uma semana, dizem os engenheiros de Stanford.

Os métodos atuais de sondar uma célula são tão destrutivos que geralmente permitem apenas algumas horas de observação antes que a célula morra. Os pesquisadores são os primeiros a implantar um dispositivo inorgânico na parede celular sem danificá-la.

A principal característica do design da sonda é que ela imita os gateways naturais na membrana celular, disse Nick Melosh, um professor assistente de ciência dos materiais e engenharia em cujo laboratório a pesquisa foi feita. Com modificação, a sonda pode servir como um canal para inserir medicamentos no interior fortemente protegido de uma célula, ele disse. Também pode fornecer um método aprimorado de anexar próteses neurais, como braços artificiais que são controlados por músculos peitorais, ou implantes cerebrais profundos usados ​​no tratamento da depressão.

O comprimento de 600 nanômetros, sonda de silício revestida de metal integrou-se tão suavemente em membranas no laboratório, os pesquisadores a batizaram de sonda "furtiva".

"As sondas fundem-se nas membranas espontaneamente e formam-se bem, junções fortes lá, "Disse Melosh. O apego é tão forte, ele disse, "Não podemos retirá-los. A membrana vai continuar se deformando, em vez de soltar as sondas."

Melosh e Benjamin Almquist, um estudante de graduação em ciência e engenharia de materiais, são co-autores de um artigo que descreve a pesquisa publicada em 30 de março em Proceedings of the National Academy of Sciences . O artigo está disponível online.

Até agora, fazer um buraco na membrana da célula depende amplamente da força bruta, Melosh disse.

"Podemos basicamente abrir buracos nas células usando sucção, podemos usar alta tensão para fazer orifícios em suas membranas, ambos são bastante destrutivos, "disse ele." Muitas das células não sobrevivem. "Isso limita a duração de quaisquer observações, particularmente medições elétricas da função celular.

A chave para a fácil inserção da sonda - e o desejo da membrana de retê-la - é que Melosh e Almquist basearam seu design em um tipo de proteína encontrada naturalmente nas paredes celulares que atua como um guardião, controlar quais moléculas podem entrar ou sair.

Uma membrana celular é essencialmente uma fortaleza murada. Dentro da própria parede existe um repelente de água, ou hidrofóbico, zona. Uma vez que quase todas as moléculas de um ser vivo são solúveis em água, a região hidrofóbica atua como uma barreira para impedir que as moléculas deslizem pela parede celular. A única maneira de entrar ou sair é por meio de proteínas especializadas que formam pontes através da membrana.

Esses gateways de proteína "transmembrana" correspondem à arquitetura da membrana, com uma seção central hidrofóbica delimitada por dois solúveis em água, ou hidrofílico, camadas.

"O que fizemos foi criar uma versão inorgânica de uma dessas proteínas de membrana, que fica na membrana sem rompê-la, "Melosh disse." Agora podemos imaginar usá-lo para fazer nosso próprio portão de guarda. "

Para construir sua sonda, Melosh e Almquist se apropriaram de métodos de nanofabricação da indústria de semicondutores para fazer minúsculos pinos de silício, the tips of which they coated with three thin layers of metal - a layer of gold between two of chromium - to match the sandwich structure of the membrane. They then coated the gold band with carbon molecules to render it hydrophobic; the chromium bands are naturally hydrophilic.

"Getting that hydrophobic band just a few nanometers in thickness was an incredible technical challenge, " Melosh said. Applying such a thin layer to the tip of a probe only 200 nanometers in diameter was impossible using existing methods, so he and Almquist devised a new technique using metal deposition to create the thin band that was needed.

That carefully applied metal coating on the stealth probe could give researchers electrical access to the inside of a cell, where they might monitor the electrical impulses generated by various cellular activities, Melosh disse. Este, combined with the probe's stability in the membrane, could be a huge asset to studies of certain electrically excitable cells such as neurons, which send signals throughout the brain, spinal cord and other nerves.

A device called a "patch clamp" can be used to monitor those sorts of electrical signals among cells now, Melosh said, but in its current form, it is comparatively crude.

"You come in with it, touch it to the cell surface, apply suction and tear a hole in the cell to give you access, "disse ele." No entanto, it is a fairly slow procedure that has to be done one cell at a time, and it kills the cell within an hour or so."

"If the stealth probe will give us a long-term patch clamp, we'll really be able to get the ability to watch these networks over long periods of time, perhaps up to a week, " ele disse.

"Idealmente, what you'd like to be able to do is have an access port through the cell membrane that you can put things in or take things out, measure electrical currents … basically full control, " said Melosh. "That's really what we've shown - this is a platform upon which you can start building those kinds of devices."

The next step is to demonstrate the functionality of the probe in living cells. Almquist and Melosh are now working with human red blood cells and cervical cancer cells, as well as ovary cells from a species of hamster.